Аддитивное будущее

Литье, заводская ковка, слесарные станки – всё это, как когда-то кузнечное дело, в скором времени уже может считаться дедовским способом обработки металла. Будущее за аддитивными технологиями.

Тонкий луч искрит по поверхности, и будто огненная птица феникс возрождается из пепла. Но это, конечно, не пепел, а металлический порошок, и не птица, а деталь для важного узла, вместо гнезда – камера 3D-принтера по металлу. Так что никакого волшебства – сплошная наука и технологии.

«Прообразом всех аддитивных технологий можно считать первых строителей – египтян, – считает Алексей Меркушев, начальник отдела аддитивных технологий РИЦ УрФУ. – Например, строительство той же самой пирамиды тоже шло аддитивным методом. Слой за слоем возводилось готовое изделие. В нашем случае это происходит на микроуровне, и мы выращиваем высокоточные детали из порошков титана, алюминия и нержавеющих сталей».

2

«Нанесли – спекли»

Как происходит печать изделий в 3D-принтере:

На первую площадку загружается порошок, на вторую – устанавливается рабочая плита, на которой будет выращиваться деталь. Третья площадка – для сбора лишнего порошка.
Порошок наносится специальным ножом.
Слой порошка, например для нержавейки, – 0,02 мм, то есть 20 микрон, для алюминия – 30 микрон.
После нанесения порошка включается лазер и по заданной программе спекает все детали в слой.

Селективное лазерное спекание было разработано и запатентовано еще в середине 80-х годов прошлого века, но активно использоваться 3D-принтеры начали лишь в последние 10 лет. Из такого полимерного порошка делают и макеты, и прототипы моделей, и даже импланты. 3D-печать деталей из металла встречается реже, хотя одними из первых перспективы этой технологии на Западе оценили авиастроители, в России – атомщики.

Прежде чем начать печать, камеру 3D-принтера наполняют газом аргоном. Он нужен, чтобы предотвратить появление оксидов и нитридов в структуре детали. Для каждого металла своя температура плавления. Например, для алюминия луч должен нагреть порошок до 660 градусов, а для титана – до 1800.

3

Кроме того, аргоном из камеры вытесняют кислород, его содержание не должно превышать 0,1% на весь объем изделия. Металлический порошок при таких высоких температурах элементарно может вспыхнуть.

Возможности 3D-принтеров ограничены только размерами камеры – чаще всего параметры печати не превышают 40 см по длине, ширине и высоте изделия. Но и этого вполне достаточно.

Ведь большинство даже самых внушительных технологических узлов состоит не из крупных, а достаточно мелких деталей. Расположить их на площадке камеры можно с достаточным комфортом.

«Я думаю, что появление 3D-принтеров – это появление нового инструмента для конструктора, используя который при проектировании сложных изделий можно добиться новых результатов, – рассказывает Александр Стихин, генеральный директор ООО «Завод электрохимических преобразователей». – Учитывая, что в камере послойно можно достигать конструктивной целостности всего изделия, можно было бы отказаться от паяных соединений».

4

Трехмерные принтеры, оказывается, довольно привередливые, и абы какой порошок в них не засыпешь

Свое – не значит плохое. Как спастись от импортной зависимости?

Вместо месяца литья, обработки на слесарных станках и шлифовальных машинах необходимый узел можно вырастить на принтере за неделю. 3D-технологии – это, конечно, шаг вперед. Это поняли и в компании ТВЭЛ, и теперь ТВЭЛ, объединив усилия вместе с уральским комбинатом, работает над созданием российского 3D-принтера.

5

Российский 3D-принтер по металлу появится уже в 2017 году

«Если на Западе таких 3D-принтеров по металлу порядка 2,5 тысячи, то в России пока закуплено всего около 20 импортных систем по металлическим порошкам, – поясняет Олег Елистратов, заместитель гендиректора уральского электрохимического комбината по развитию неядерного бизнеса. – И закуплены они такими предприятиями, которые являются научно-техническими центрами, инжиниринговыми компаниями, где конструкторы уже пытаются какие-то изделия на них напечатать».

Российский 3D-принтер будет ничуть не хуже, а местами даже лучше западных аналогов. Система на 90% будет состоять из комплектующих, сделанных в России, к концу этого года появится испытательный стенд для отладки основных функций механизма, а также проработки алгоритмов выращивания непосредственно изделий. На предприятиях ТВЭЛ уже решают, какие детали потенциально можно делать прогрессивным способом, а какие – лучше по старинке. Еще нужно научить конструкторов проектировать для 3D-принтеров, сейчас такой курс предлагают только в УРФУ, МГТУ имени Баумана и Санкт-Петербургском политехе. 

6

Все 20 машин, которые есть в России, работают на импортных порошках. В большинстве случаев использовать другой порошок на этих машинах нельзя, они сразу же снимаются с гарантии. Это не очень хорошая ситуация, потому что мы, таким образом, находимся в очень большой импортной зависимости. При этом цены на порошки из нержавеющей стали, поставляемые в Россию, в два раза выше тех, которые продаются за рубежом. Например, порошок на основе никеля и хрома стоит у западного производителя порядка 100–150 евро за килограмм, а в России эта горсточка металла будет стоить уже 500 евро! Как можно напечатать дешевую деталь, при такой стоимости сырья?

Но и эту проблему взялись решать на Урале. Для уральского электрохимического комбината и его предприятий порошковая металлургия не новость. Например, на заводе электрохимических преобразователей порошки применялись для производства фильтров для газовой диффузии урана, для разделения изотопов, а также для припоев и поверхностного напыления.

Генеральный директор ООО «Распылительные системы и технологии» Шейхали Шейхалиев металлическими порошками занимается уже больше 30 лет, получил десятки патентов на свои разработки. Системы, усовершенствованные по технологиям Шейхалиева, работают в Великобритании и Японии. Сейчас его первостепенная задача – российская установка по выпуску мелкодисперсных спецпорошков.

Установка Шейхалиева уже сегодня позволяет получать мелкодисперсные порошки алюминиевых сплавов меньше 50 мкр. Это хороший результат. Установка опытная и позволяет распылить всего 5–10 кг сплава. Промышленная установка существует пока только в виде компьютерной модели. Принцип действия не сложный: как только расплав начинают переливать в тигель промворонки, под давлением 30 атмосфер подается газ – азот или аргон, который буквально разбивает в пыль струю металла. Крошечные капельки металла, падая вниз с трехметровой высоты, застывают и превращаются в порошок.

Сегодня порошки Шейхалиева придирчиво изучают в лабораториях, ведь именно им предстоит постепенно вытеснить импортные аналоги. Результаты по алюминиевым сплавам – алюминий-кремний, алюминий-магний уже очень хорошие, на очереди высокотемпературные расплавы – то есть стали. Каждая частица должна быть идеальной сферической формы – это позволяет им лучше прилегать друг к другу и правильно спекаться во время печати. Также в лаборатории смотрят химический состав, проверяют поверхностную и внутреннюю пористость, текучесть, наличие сателлитов – и все это на микрошариках, из которых состоит порошок, шариках, которые человеческий глаз даже различить не может.

7

Производственную установку для производства порошков планируется построить на базе уральского электрохимического комбината. Опытные образцы уже испытывают в 3D-принтере, правда, пока это немецкое оборудование – специалистам российского инжинирингового центра пришлось купить опцию для использования своего сырья.

Российский 3D-принтер появится уже в 2017 году, и он будет значительно отличаться от существующих иностранных моделей по тактико-техническим показателям: его производительность точно будет выше, да и к тому же в импортных машинах используются закрытые коды, так что зачастую невозможно четко определить состав детали и понять, каким образом она сделана. Российская установка даст больше возможностей для экспериментов.

3D-установка российского производства будет иметь камеру уже на 20% больше. Но и это не предел. Вполне возможно, что совсем скоро аддитив- ные технологии позволят инженерам работать и с крупной формой.