3D-печать представляет собой технологию создания объектов, которую обычно называют «аддитивным производством» и которая состоит из послойного соединения материала для получения объектов по данным трехмерных моделей или с привлечением другого источника компьютерных данных. В частности, последовательные слои материала образуются под управлением компьютера с помощью промышленного робота. Довольно часто в различных СМИ так или иначе всплывает тема аддитивных технологий (АТ) и ее развития в России. Мы решили подробнее изучить данный вопрос и выяснить, сколько всего охранных документов по этому направлению было зарегистрировано в нашей стране. 

Отбор охранных документов РФ производился по базе ФИПС с использование ключевых слов «3D-печать», «3Д-печать», «трехмерная печать», «3D-принтер», «3Д-принтер», «аддитивная» (в разных склонениях прилагательного).

Динамика по годам представлена в табл. 1.

Таблица 1: Динамика выдачи охранных документов по АТ в РФ в 2017-2022 гг., ед.

Источник: подсчет автора по базе ФИПС

Из 530 документов подавляющее большинство составили патенты РФ на изобретения (63%). На втором месте — патенты на полезные модели (21%). Удивительно, но программ для ЭВМ для столь молодой отрасли довольно много, 75 ед. Баз данных по АТ ожидаемо мало (тут нужно подчеркнуть, что ОТКРЫТЫХ, публичных, что объясняется тем, что АТ сравнительно мало внедрены в гражданскую экономическую деятельность).

Примерно 2/3 патентов и свидетельств принадлежит резидентам РФ, а остальные — иностранцам, на 99% из стран дальнего зарубежья, в основном из западных стран и Китая. При оформлении охранных документов иностранцы всегда пользуются услугами специализированных фирм или патентных агентов. 

Патенты на изобретения

Патентов РФ на изобретения выявлено 334. Резидентам РФ принадлежит 242 патента. Неудивительно, что много изобретений осуществлено в крупных инновационных структурах Росатома и Ростахе, в ведущих вузах страны, таких как МГУ, Станкин, МИФИ, МФТИ, Бауманка и СпбГУ. Среди патентообладателей нам встретились сравнительно новые фигуранты, например: Автономная некоммерческая организация высшего образования  «Университет Иннополис», Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Дагестанский Государственный Технический Университет, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова и т.д.  

Среди частных предприятий стоит отметить: ООО «Научно-технический центр «Бакор», ЗАО «Инновационный центр «Бирюч», ООО «Ботлихский радиозавод», ООО «Новые Дисперсные Материалы», ООО «ПолиТаир», ООО «Роботех», ООО «Смарт-Принтинг», ООО «Ф2 Инновации», ООО «Хабаровск 3Д». Среди частных лиц: Белоусов Антон Владимирович, Кривенко Александр Сергеевич, Мирчев Владислав Юрьевич, Неткачев Александр Геннадьевич, Рулев Игорь Михайлович, Сычев Василий Алексеевич, Теплинский Георгий Георгиевич. 

Оформлением патентов в крупных организациях занимаются соответствующие отделы по защите интеллектуальной собственности. Индивидуальные предприниматели и малые предприятия часто, но не всегда, привлекают патентных поверенных, например ООО «ФПБ Гардиум», Месяшная Н.В., Широкова Т.К.

Иностранцы представлены в основном знаменитыми компаниями, такими как Боинг, Ксерокс, Дженерал Электрик, Сафран, Мицубиси и Хитачи.

Формально все патенты отнесены к нескольким группам международной патентной классификации (МПК), причем активность резидентов и иностранцев заметно различается (табл. 2).

Таблица 2: Распределение патентов на изобретения по разделам МПК, %

Источник: подсчет автора по базе ФИПС

Видно, что иностранцев абсолютно не интересуют вопросы удовлетворения жизненных потребностей человека; они делают упор на различные технологические процессы; транспортирование.

Наш содержательный анализ патентов РФ на изобретения представлен ниже в разрезе 1) цементы для строительства, 2) металлы, 3) термопласты, 4) фотополимеры, 5) керамика, 6) био, 7) песок для литейных форм, 8) чернила для электроники, 9) прочее (композиты и т.п.). В 2017-2022 гг. оформлено много патентов по металлам, термопластам и строительству. Однако есть различия в активности между резидентами и иностранцами (табл. 3).

Таблица 3: Доля патентов РФ на изобретения  в разрезе материалов, %

Источник: подсчет автора по базе ФИПС

Безусловное, преобладающее лидерство в АТ-изобретательстве принадлежит металлам. На втором месте — цементы для строительства.

Аддитивные технологии в металлах

Исторически, металлы обрабатывались по субтрактивным технологиям (токарным, фрезерным и т.п. вплоть до финишной доработки напильником). Современный фокус АТ в этой сфере находится в аэрокосмической области. В основном с помощью 3D-печати детали двигателей из жаростойких сплавов. В РФ значимыми являются разработки ВИАМ авторами во главе с Кабловым. В частности, примечателен «Способ повышения плотности сложнопрофильных изделий из интерметаллидных сплавов на основе никеля, полученных аддитивными технологиями» по патенту РФ №2640117. Он может быть использован для повышения плотности сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей. АО «Объединенная двигателестроительная корпорация» запатентовала изобретение «Охлаждаемая сопловая лопатка турбины высокого давления турбореактивного двигателя» (патент РФ №2767580), согласно которому аддитивные технологии позволяют изготовить сопловые лопатки практически любой геометрии, в том числе под препарирование, и избавиться от лишних технологических операций, например, в виде ручного создания фольговых накладок препарирования.

Анализ иностранцев свидетельствует о том, что аналогичные технологии патентовали в РФ в основном авиационные компании из США и Франции, в частности: Боинг, Хаумет Аэроспейс,  Эйрбас хеликоптерс, Снекма и т.д. Возможно, это было обусловлено вовлеченностью российского гражданского авиастроения в партнерство с западными компания в проектах «Супер Джет» и МС-21. В связи с особой программой импортозамещения компонентов из недружественных стран и развития технологической независимости в авиастроении РФ можно ожидать обнуления в 2023-2027 гг. патентования изобретений патентообладателями из стран-членов НАТО в этой области.

Аддитивные технологии в строительстве

В строительстве 3D-печать осуществляется «вживую», на свежем воздухе, а не в закрытых боксах и герметичных установках. Приходится — из-за колебаний температуры, влажности, ветра и солнца — решать противоречивые задачи скорости печати и устойчивости отвердевающего материала. Основная физико-химическая проблема состоит в реологических свойствах строительного материала для 3D-печати. На практике к обычному цементному раствору добавляют 4 вида присадок: 1) модификаторы реологии рабочего раствора/теста, 2) ускорители схватывания бетона, 3) регуляторы водопотребности, 4) противопенные добавки.

3D-печать конструкционных материалов представляет собой непрерывный процесс, который включает транспортировку свежеприготовленной бетонной смеси или строительного раствора к экструдируемой головке и укладку конструкционного материала через выпускное отверстие (сопло) головки для формирования слоя бетона. При укладке бетона или строительного раствора укладывающая головка перемещается под управлением компьютерного устройства для создания слоя конструкционного материала в соответствии с лежащей в основе 3D-моделью. Чтобы сделать возможным плавное прохождение свежеприготовленной бетонной смеси или строительного раствора через каждый участок процесса транспортировки к укладывающей головке, необходимо обеспечение стабильных реологических свойств свежеприготовленного материала. 

Однако конструкционный материал должен быть не только достаточно текучим, чтобы обеспечивать цели транспортировки и экструзии, но также и достаточно жестким для обеспечения необходимой механической стабильности трехмерной печатной структуры до схватывания гидравлического вяжущего. В частности, нижележащие слои конструкционного материала должны без разрушения выдерживать нагрузку, накладываемую верхними слоями. 

Высокую изобретательскую активность демонстрирует коллектив Рустема Ханифовича Мухаметрахимова в Казанском государственном архитектурно-строительном университете (около 20 патентов за пятилетний период на состав строительных смесей и способы строительной 3D-печати). Так патент №2777886 касается строительной смеси, которая включает портландцемент, кварцевый песок, суперпластификатор «Реламикс ПК» в виде сополимера на основе полиоксиэтиленовых производных ненасыщенных карбоновых кислот. Технический результат — повышение формоустойчивости и обеспечение отсутствия дефектов в виде разрывов напечатанных слоев, снижение усадочных деформаций и повышение предела прочности затвердевших композитов, напечатанных на 3D-принтере.

Около 10 патентов получила проф. Славчева Галина Станиславовна с соавторами из Воронежского государственного технического университета. В частности, изобретение №2729085 относится к строительным материалам, которые адаптированы к режимам строительной 3D-печати. Патент защищает двухфазную смесь. 

Интерес представляют изобретение №2739910 проф. Валентины Анатольевны Полуэктовой из Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. Оно относится к полимерцементной сухой строительной смеси для 3D-печати, включающей портландцемент, полимерное связующее, песок, фиброволокно и модификатор. В качестве полимерного связующего используют редиспергируемый полимерный порошок поливинилацетата или сополимеров поливинилацетата. 

Анализ патентов и опыт их практического использования дает основания сделать вывод, что активное внедрение в строительную практику технологий аддитивного строительного производства сулит снижение сроков и стоимости строительства, снижение металлоемкости монолитных конструкций, а также создает возможность оптимизации площадей жилых, общественных и производственных зданий за счет большей гибкости в выборе объемно-планировочных решений. Этот вид строительства формирует новую промышленную нишу производства передовых материалов для аддитивного строительного производства на основе высокомодифицированных строительных смесей гидратационного твердения. Остается надеяться, что российские застройщики будут заинтересованы во внедрении этих технологий.  

Аддитивные технологии в медицине

За 2017-2022 гг. отмечено 28 патентов на изобретения в области медицины, все они получены резидентами РФ. Из материалов используются металлы, керамика, термопласты, фотополимеры, композиты. Главные направления применения — протезирование костей, например титановыми сплавами, зубоврачебное дело и ушные протезы. Так, устройство для рефиксации сухожилий мышц к костям, согласно патенту РНИИТО им. Р.Р. Вредена №2712297 включает корпус с отверстиями для фиксации сухожилий и каналами для проведения винтов с угловой стабильностью. Персонифицированный корпус изготовлен с использованием аддитивных технологий, выполнен в запланированной посредством 3D-моделирования форме, оптимальной для каждого конкретного пациента и имеет пористую структуру, а в его толще расположен каркас. В корпусе выполнены индивидуально расположенные и ориентированные как минимум три канала для проведения винтов с угловой стабильностью. Отверстия для проведения шовного материала расположены по периметру корпуса. Стенки, ограничивающие указанные отверстия, выполнены непористыми. Изобретение обеспечивает повышение прочности первичной и отсроченной фиксации сухожилий мышц к костям при выполнении травматологических и ортопедических операций, что улучшает функцию сустава в послеоперационном периоде.

Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского запатентовал «Способ изготовления аддитивных персонализированных имплантатов для реконструктивных операций на костях свода черепа у детей» (патент №2775684). 

ООО «Инновационно-технологическая Компания Эндопринт» получиа патент №2769621 на направляющий шаблон для хирургической стоматологии. Изобретение относится к хирургической стоматологии и предназначено для использования при одномоментном применении костной пластики при отсутствии альвеолярного гребня без отслоения слизистой беззубой челюсти, для проведения операции у пациентов с осложненной навигацией на беззубой челюсти при атрофии и дефектах мягких и костных тканей. Направляющий шаблон представляет собой монолитную объемную деталь с отверстиями, изготовленную из стерилизуемого материала ортопедического полиакрилатного MED610 по антропометрическим данным пациента, по форме соответствующий челюсти пациента. Направляющий шаблон изготавливается под полный протокол. Направляющий шаблон изготавливают, используя совокупность различных методов диагностического исследования. 

Упомянутые выше патенты уже нашли практическое применение и помогают в прямом смысле встать на ноги многим пациентам.  

Заключение

Патентование изобретений России в области аддитивных технологий идет широким фронтом, охватывая практически все сферы деятельности. Удивительно, как высока изобретательская активность провинциальных вузов, малых предприятий и частных лиц. Результаты интеллектуальной деятельности в 3D-печати уже востребованы практикой. Однако точно оценить экономические эффекты от внедрения изобретений и объем рынка аддитивных технологий в данный момент не представляется возможным, поскольку многие применения в РФ находятся вне публичной информации. Огромное число разработок до сих пор являются ноу-хау. 

Это была первая часть, посвященная изобретениям. Про полезные модели, программы для ЭВМ и базы данных мы расскажем в следующей статье.