Горячий прием для тугоплавких
В Росатоме создан 3D-принтер для высокотемпературной печати
Посмотрите на фотографию. Непосвященный может подумать, что это шеф-повар возле высокотехнологичной жаропрочной духовки, и сейчас он, как фокусник, достанет из нее что-то умопомрачительно вкусное. И это действительно образец высоких технологий, и действительно он связан с высокими температурами, но в металлургии. Это 3D-принтер для печати порошками тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и проч.) и их композициями. Это одна из первых таких установок в стране.
Происхождение принтера
Идею создать установку для тугоплавких металлов и их композиций в Росатоме предложил первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации», научный руководитель приоритетного направления научно-технологического развития «Материалы и технологии» Алексей Дуб. Создавали принтер на площадке НИИ НПО «ЛУЧ» ведущие российские разработчики вакуумной техники и автоматизированных систем управления. Например, для управления печатью использовали унифицированную программно-аппаратную платформу, разработанную в рамках комплексной программы «РТТН». В целом критические узлы установки на 90% состоят из российских комплектующих.
Особенности технологии
Принтер работает по технологии селективного электронно-лучевого плавления с высокотемпературным подогревом рабочего объема. Принцип действия в самом общем виде такой: в рабочую камеру засыпается слой порошка, потом рабочий инструмент в соответствии с заложенной программой выборочно сплавляет его. Затем засыпается новый слой, и процедура повторяется. В конце порошок отводят, а в камере остается изделие, готовое для финишной обработки.
Для принтера, печатающего тугоплавкими металлами и сплавами, выбрали технологию селективного плавления, потому что для альтернативной технологии — прямого выращивания — нужен газ для транспортировки порошка. Из-за необходимости подводить газ невозможно создать в камере принтера необходимый уровень разряжения. Вакуум необходим, потому что тугоплавкие металлы легко реагируют с газами, и это мешает нагреву и плавлению, ухудшает свойства изделия. Кроме того, электронный луч, который плавит порошок, тоже может работать правильно только в вакууме. «При наличии инертных или любых других газов электроны будут сталкиваться с их молекулами, в результате чего будет происходить ионизация, отклонение электронного пучка и другие нежелательные эффекты», — объясняет начальник лаборатории НИИ НПО «ЛУЧ» Сергей Пшенов.
Высокий вакуум в камере принтера создается известным, хорошо отработанным способом: предварительно форвакуумными насосами, затем турбомолекулярными. Таким образом дегазируется не только порошок, но и материал конструктивных элементов.
Особенности устройств
Технологии, применяемые для 3D-принтеров, которые печатают порошками из стали, для тугоплавких материалов не подходят, так как для них необходима более высокая температура в зоне плавления, в области печати и рабочем объеме в целом — для создания и поддержания оптимальных режимов остывания напечатанных частей изделия. «Стандартные электронно-лучевые пушки, которые используются в известных принтерах, не подходят, так как они не могут генерировать пучок электронов с достаточной энергией для плавления тугоплавких материалов. Поэтому для опытного образца установки селективного электронно-лучевого плавления порошка с высокотемпературным подогревом рабочего объема была разработана более мощная электронно-лучевая пушка. Она способна генерировать электронный луч с ускоряющим напряжением до 80 кВ. Кроме того, конструктивные элементы в зоне построения разработаны таким образом, чтобы выдерживать высокие температуры в процессе изготовления изделия», — рассказывает Сергей Пшенов.
В структуре Росатома создана экосистема использования аддитивных технологий, включающая разработку программного обеспечения, изготовление комплектующих и сборку 3D-принтеров, производство металлических порошков и предоставление услуг 3D-печати. Атомная отрасль выступает одновременно и поставщиком, и крупным заказчиком аддитивного производства.
Аддитивные технологии позволяют производить детали и комплектующие, которые сложно изготовить традиционными методами — с применением литья и механообработки. Трехмерная печать дает возможность снизить массу изделий, объем отходов и сроки производства. Современные 3D-принтеры позволяют перенастраивать параметры печати для изготовления изделий различного назначения, размера, единичного и массового производства.
Продукция 3D-печати используется в разных областях, от ядерных технологий до медицины.
Справка
Стол построения представляет собой круглую платформу диаметром 300 мм, которая опускается в процессе работы принтера на глубину 350 мм. Эти параметры определяют и максимальные габариты получаемых изделий. Они были выбраны на основе запросов предполагаемых заказчиков.
Особенности порошков
Порошки тугоплавких металлов и сплавов выпускает Научный дивизион Росатома. По своим свойствам они похожи на те, что используют для печати в 3D-принтерах с лазерными установками. Но для высокотемпературного селективного электронно-лучевого плавления нужен порошок с более крупным стехиометрическим составом (размером «порошинок» 60–120 мкм).
Особенности применения
На установке можно производить изделия сложной формы, например узлы турбоагрегатов. Такие детали способны работать в условиях очень высоких, порядка нескольких тысяч градусов Цельсия, температур. Благодаря высокой точности изготовления (около 100 мкм) скорость изготовления изделий увеличивается в три-четыре раза, а себестоимость сокращается на 20% по сравнению с традиционным методом (переплав с последующей механической обработкой).
Следующий этап
Получив первый результат, разработчики будут трудиться над повышением надежности установки, чтобы она могла работать в течение длительного времени. Как отметил Сергей Пшенов, о серийном выпуске таких принтеров в классическом понимании этого термина речь не идет, так как каждая установка, дорогая и сложная, будет дорабатываться в соответствии с пожеланиями заказчиков.
