В ЮУрГУ создают сложные металлические и композиционные детали на 3D-принтере

Изначально задачи лаборатории были посвящены производству металлических порошков высокого качества, которые можно использовать в аддитивных технологиях. О разработках рассказывают Павел Лыков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории и инженер-исследователь Рустам Байтимеров.

Аддитивные технологии (от англ. «add» – добавлять) – это технологии, при которых конечное изделие получается не в процессе удаления лишнего от большой «болванки», а напротив – в процессе наращивания материала. Их плюс в энергоэффективности и малоотходности. При этом есть возможность изготовления сложных деталей, с внутренними полостями. Такие детали не изготовить традиционными методами.

«Всё новое – это хорошо забытое старое. Первые шаги в изобретении и изучении металлических порошков в аддитивных технологиях за рубежом были сделаны давно. Говорят, что в СССР существовали подобные технологии. Например, наплавка. Если её немного модернизировать, то уже почти аддитивные технологии», – говорит Рустам Миндиахметович.

На первом этапе в лаборатории появились 2 запатентованные установки по получению металлических порошков, разработанные совместно с сотрудниками кафедры двигателей летательных аппаратов Алексеем Шульцем, Константином Бромером и Евгением Сафоновым. На этом оборудовании исследовалась технология распыления жидких металлов в газовых струях.

«Когда мы только начали заниматься исследованиями в области аддитивных технологий, ездили на стажировку в Национальную школу Сент-Этьена (Франция). Там познакомились с крупным ученым – профессором Игорем Смуровым. Он поделился с нами опытом, показал парк оборудования школы, рассказал о наиболее перспективных направлениях. Позже мы работали с профессором Смуровым по совместному гранту», – говорит Павел Лыков.

В лаборатории микропорошковых технологий представлена только одна аддитивная установка, которая относится к типу селективного лазерного сплавления. Это выращивание продукта слой за слоем из порошковых материалов.

«Она работает по такому принципу: 3D-модель детали разбивается на ряд 2D-объектов, которые слой за слоем накладываются и сплавляются друг с другом. В каждом слое производится выборочное (селективное) плавление части порошка», – говорит Павел Александрович.

В процессе работы с установкой селективного лазерного сплавления появилось более глубокое понимания технологии, сопровождающей процесс взаимодействия лазера с металлическим микропорошком.

В ходе совместных работ с доктором физико-математических наук, профессором Александром Яловцом и использованием установки селективного лазерного сплавления, появилось более глубокое понимание процессов, сопровождающих взаимодействия лазера с металлическим микропорошком.

Изучив литературу и статьи других авторов по данному вопросу, ученые пришли к мысли, что аддитивные технологии и традиционные методы развиваются параллельно друг другу, и в лице традиционных методов изготовления металлических деталей (литья, фрезерования и т.д.) аддитивные технологии имеют очень сильных конкурентов. Павел и Рустам решили, что наиболее перспективное направление, которое позволяет уйти от конкурентов и отодвигает все остальные направления на второй план – это использование композиционных материалов.

«Добавление упрочняющей фазой делает материал износостойким, и, в этом случае, сточить с него лишнее – сложно. А если мы используем композиционные порошки, то можем делать суперсложные детали на основе композитов. У нас появляются широкие возможности: подбирая композиции, определенный металл и керамику, мы можем получать широкий спектр свойств, в зависимости от задач, которые необходимо решить производству», – говорит Павел Александрович.

Использовать в аддитивных технологиях смесь порошков нецелесообразно. Перед учеными встала задача: получить композиционный порошок высокого качества, пригодный для использования в аддитивных технологиях. Совместно с доктором технических наук, научным руководителем НОЦ «Нанотехнологии» Сергеем Сапожниковым была разработана технология модифицирования металлических микропорошков, включающая нанесение нанопорошка на поверхность металлического микропорошка. Исследование свойств полученного материала проводилась совместно с сотрудником НОЦ «Нанотехнологии» кандидатом химических наук Дмитрием Жеребцовым.

«У зарубежных коллег есть большая проблема: почти все лаборатории такого типа закупают расходные материалы для исследований (микропорошки) по огромной цене. Мы же сами производим этот порошок! Пока нам хватает его для самообеспечения лаборатории», – говорит Рустам Байтимеров.

Дальше последовал новый этап – исследование использования композиционных материалов в аддитивных технологиях. Ученые говорят, что на тот момент не так много лабораторий в мире занималось данной проблематикой, а сейчас это направление одно из самых «модных» в мире. С одной стороны, это требует вложения больших финансовых средств, с другой - открывает большие возможности.

Ученые разных стран пытаются внедрить аддитивные технологии во многие отрасли. Аддитивные технологии – это уже «сегодняшний день» для медицины и авиастроения.

Например, корпорация Boeing сейчас занимается разработкой и внедрением в производство двигателя для самого большого пассажирского самолета. В нем есть детали, которые сделаны методом селективного лазерного сплавления. В медицине таким способом изготавливают зубные и костные имплантаты.

«Чтобы сделать человеку тазобедренный сустав или часть черепа, нужно изготовить конкретную индивидуальную деталь. Её делают после 3D-сканирования. Экономически это невыгодно для традиционных методов. Аддитивные технологии позволяют занести 3D-модель в компьютер и через несколько часов получить готовое изделие. Можно создать имплантат с пористой структурой, чтобы кость хорошо в него проросла», – говорит Павел Александрович.

Павел Александрович рассказывает, что уровень полученных результатов позволяет участвовать в международных конференциях и публиковать работы в зарубежных изданиях. За последние два года члены коллектива принимали участие в международных конференциях в Копенгагене, Бремене, Сингапуре, Детройте, Мюнхене. В июле 2017 года в рамках работы по президентскому гранту планируется поездка Рустама Байтимерова в Сеул.

Сейчас ученые ЮУрГУ формируют несколько заявок на гранты, для того, чтобы подготовить программу изготовления серии композиционных изделий на основе жаропрочных или цветных сплавов и керамической фазы. Их главная задача на ближайшее время: исследовать как меняется весь перечень механических свойств таких материалов. Исследователи надеются, что при получении хороших результатов, откроется новая перспектива внедрения этих композиционных изделий и технологий в аэрокосмическую отрасль.

Источник: сайт ЮУрГУ.