Российские учёные разрабатывают стратегию аддитивного производства крупногабаритных деталей из легких сплавов

Аддитивные технологии находятся на пике популярности во всём мире, они позволяют изготавливать из металлических сплавов изделия для аэрокосмической, судостроительной и автомобильной промышленности. Производство деталей сложной формы по трёхмерной компьютерной модели путём последовательного наплавления металла позволяет значительно сократить затраты. В отличие от традиционного производства, когда при механической обработке детали значительная часть металла идёт в расход, аддитивное производство бережно в отношении ресурсов. Кроме того, аддитивные технологии могут использоваться на космической орбите в рамках концепции «Сделано в космосе», что подразумевает производство изделий для орбитальных станций и напланетных баз, сообщается в пресс-релизе СФУ.

«Набирают популярность аддитивные технологии, которые используют не порошок, а металлическую проволоку. Сейчас крупногабаритные изделия из алюминиевых сплавов делаются небольшими партиями, в основном из цельнолитых заготовок или крупногабаритных поковок с применением механической обработки. Это нерационально, поскольку значительная часть заготовки до 60-80% просто «срезается». Уменьшить расход материала в несколько раз можно с помощью технологии прямого подвода энергии и материала — так называемой технологии «дуга + проволока» (wire and arc additive manufacturing — WAAM). Компоновочная схема оборудования для такой технологии существует в трёх вариантах — на базе роботов, а также консольных, портальных или с параллельной кинематикой компьютеризированных станков (ЧПУ). Такая технология, в отличие от порошковой, максимально подходит для использования в условиях космоса», — сообщил профессор кафедры машиностроения Политехнического института СФУ, доктор технических наук Николай Довженко.

По словам учёного, проблемы, возникающие в процессе аддитивного производства изделий из алюминиевых сплавов, например, пористость или невысокие механические свойства, можно преодолеть с помощью WAAM с регулируемыми энергозатратами. Также выгодно использовать адаптированные, в том числе, кроссоверные (например, из компонентов космического мусора) или градиентно-функциональные сплавы. Соответственно, технология WAAM начинает стремиться к снижению тепловложения и повышению скорости послойного наплавления металла, то есть, становится многоэлектродной и многодуговой.

«В СФУ решаются фундаментальные проблемы аддитивной технологии DMAD. В её основе лежит трёхмерное моделирование будущего изделия. Создаётся новое оборудование и программируемый алгоритм, с помощью которого происходит постепенное наплавление слоев с управляемым переносом металла. Это позволяет снизить подвод тепла к формируемому слою изделия и сохранить высокую скорость наплавления», — отметил Николай Довженко.

Особенность технологии DMAD состоит в применении двух и более проволок-электродов, в том числе из разных сплавов — с их помощью создаётся комбинированная дуга из дуг прямого и косвенного действия. Формировать объём переносимого металла помогают именно косвенные дуги между электродами. Это позволяет значительно повысить эффективность процесса за счёт перенаправления большей части тепла к подаваемому электродному материалу и уменьшения подводимого тепла в формируемые элементы изделия.

Первые эксперименты, проведённые на базе Политехнического института СФУ, показали, что технология способна обеспечить двух- или даже трёхкратный рост производительности в сравнении с традиционным методом, использующим одну проволоку. Технология DMAD значительно увеличивает скорость наплавки — деталь со сложной геометрией формируется быстрее благодаря интенсивному «наращиванию» металла. Однако в сравнении с однопроволочной технологией процесс формирования и переноса капель расплавленного металла более сложный. Дело в режимах подачи двух и более проволок, в том числе, проволок различного химического состава. Оптимизировать эти режимы необходимо для дальнейшего развития данной технологии и её промышленного применения. Учёные СФУ заявляют, что в университете уже разработаны высокоэффективные процессы производства проволок-электродов из алюминиевых (в том числе новых — экономнолегированных скандием) сплавов методами литья в магнитный кристаллизатор и совмещённого непрерывного процесса литья-прокатки-прессования.