Закрыть кнопку

Выберите свой региональный сайт

Закрыто

Революция в разработке материалов: трехмерная печать посредством электронно-лучевой плавки
 - Расставание с тысячелетним наследием

Революция в разработке материалов: трехмерная печать посредством электронно-лучевой плавки

ИНТЕРВЬЮ 10

Акихико Тиба
Профессор, деформационная обработка, Институт исследования материалов, Университет Тохоку

Революция в разработке материалов: трехмерная печать посредством электронно-лучевой плавки

Технология аддитивного производства, применяющая ЗD-принтеры для производства металлических деталей. Ожидается, она произведет революцию в производстве деталей для самолетов и ракет, от которых требуются прочность и надежность. О потенциале данной технологии нам рассказал профессор Акихико Тиба из Института исследования материалов Университета Тохоку — ведущего японского учреждения в области технологий аддитивного производства из металла.

Зарождение новой технологии металлообработки

Человечество стоит на пороге нового прорыва. И речь не об ИИ (искусственном интеллекте). Мы говорим о технологии аддитивного производства из металла.

Под аддитивными технологиями подразумевают т. н. 3D-принтеры (или «AM Machine»). Эти принтеры вышли в свет в конце 1980-х годов и сначала применялись только для печати из пластика. Но в 2000-х появилось оборудование, способное печатать модели из металлов.
«Изучив продукт с помощью электронного микроскопа, я увидел, что образовался чистый монокристалл. Это показалось мне очень интересным, ведь мы имеем, можно сказать, новую технологию обработки металла».

Так вспоминает профессор о том, как впервые увидел аддитивное производство с использованием электронного луча. По изначальному замыслу трехмерная печать должна была стать технологией, которая позволит легко создавать прототипы. Однако тот факт, что кристаллы четко выстроены, означает, что итоговый продукт обладает достаточной прочностью. В таком случае, предположил профессор, можно было бы считать аддитивное производство технологией обработки из металла уже для создания готовой продукции.

Профессор является пионером в разработке металлических материалов и занимается исследованиями по повышению прочности металлов за счет «миниатюризации» их структуры и устранения неоднородностей элементов. Также он занимается поиском металлических материалов, подходящих для изготовления искусственных суставов или имплантов.

«Мы смешиваем металлические элементы друг с другом, расплавляем их, приводим в твердое состояние, нагреваем и куем. Это и значит создавать новые материалы», — так он определяет свое исследование.

Достаточной прочный, чтобы не деформироваться при нормальной температуре, металл в то же время облекается в самые разные формы: можно расплавить его и залить в форму, разрезать, согнуть. В отличие от дерева, он не гниет. Идеальное промышленное сырье. С древних времен из металла создавались многие изобретения. Металлы широко используются для изготовления оружия, священных предметов, в строительных материалах, автомобильных деталях, компьютерах и деталях самолетов. Разработка материалов с большей прочностью, прогресс технологий металлообработки, направленный на рост эффективности и точности, послужили основой для новых изобретений, которые, в свою очередь, породили новые потребности и побудили к созданию изобретений следующих поколений.

В настоящее время рынок больше всего жаждет «прочности». Нужны металлы уровнем прочности, позволяющим выдержать интенсивное использование и обеспечить абсолютную надежность изделий. Лучшими примерами здесь будут форсунки впрыска топлива и лопатки турбин для авиадвигателей.

«Рыночный спрос на прочные материалы очень велик. И мы можем достичь нужной прочности. Однако нельзя удовлетворяться тем, что вышло произвести сверхтвердый прут или слиток. Лишь когда мы сумеем сделать из них детали, они пригодятся на практике. При этом иногда материал оказывается настолько тверд, что его не выходит разрезать. Разрабатывая материалы, необходимо учитывать не только состав, но и последующий процесс обработки». Титан, например, прочнее стали и весит в два раза меньше, что делает его идеальным материалом для аэрокосмической области. Но при высоких температурах он склонен реагировать с другими элементами, поэтому требует особых подходов в процессе литья и сварки. Приходится заниматься литьем в среде, защищенной от кислорода и азота, или, если это невозможно, заливать титан в форму в два раза крупнее нужной, а затем строгать деталь до необходимой толщины. Разумеется, себестоимость производства взлетает.

«С титаном я здорово намучился», — делится профессор. Он надеялся, что 3D-принтер сможет сократить трудозатраты, связанные с процессом формования.

От ожиданий к уверенности
 «Электронный луч раздвигает границы»

Однако первый 3D-принтер, с которым познакомился профессор в начале 2000-х гг., не смог оправдать надежды.

«Это был метод формования металлических порошков через облучение лазером. Но по изучению готовых деталей обнаружилось, что их прочность была слишком низкой; я подумал, что такие детали сгодятся для прототипов, но до конечного продукта еще далеко».

В то время в качестве головки применялся углекислотный лазер. Из-за большой длины волны он отражался от поверхности цветных металлов (алюминия, меди, титана), что приводило к недостаточному плавлению. Прогнозировалось, что при высокотемпературной обработке реакции с кислородом и другими веществами также выльются в ухудшение качества продукта.

Несколько лет спустя в ходе научной конференции одна компания представила ему метод аддитивного производства с помощью электронного луча. На сочетание «электронный луч» профессор отреагировал с большим энтузиазмом.

Искусственный сустав, созданный с помощью трехмерной печати

Искусственный сустав, созданный с помощью трехмерной печати

«Электронный луч применялся в сварке и электронных микроскопах. В любом случае требуется вакуумная среда. В вакууме исключено воздействие азота и кислорода, и, соответственно, не имеет значения, какой материал подвергаются обработке — титан или любой другой».

Тогда профессор и увидел представленную ранее трехмерную печать с помощью электронного луча. Искусственный сустав, который ему продемонстрировали на заводе в шведском Гётеборге, был достаточно прочен, а также обладал пористостью на микронном уровне, нужной, чтобы стимулировать сращивание с живой костью.

«Теперь можно изготовить искусственный сустав с идеальным составом, прочностью, отделкой поверхности, не прибегая к литью. Возможность создать сустав, соответствующий индивидуальной анатомии каждого пациента, — вот что действительно революционно».

Воодушевленный перспективой, профессор приобрел оборудование и всесторонне исследовал, какие преимущества несет «совершенно новая методика обработки металлов».

В результате стало очевидно, что она не только не уступает традиционным технологиям обработки, но и имеет преимущество, которого не мог достичь ни один другой метод. А именно — «однородность распределения материала».

Как правило, при изготовлении сплава металлы плавят друг с другом, а затем охлаждают в форме слитка. При этом тяжелые элементы опускаются на дно, а легкие — оказываются наверху. Таким образом, в слитке возникает неоднородность материала (= расслоение). Когда материал неоднороден, неоднородными будут и его свойства, в том числе прочность. Для небольших слитков это может не составить проблемы, но в случае крупных слитков со сторонами в несколько метров на затвердевание уходит больше времени, и расслоение, соответственно, усиливается. В то же время неоднородность не возникает в аддитивном производстве, где порошки расплавляются и тут же, на месте, обретают нужную форму.

Кроме того, при заливке часть сплава, расположенная ближе к литейной форме, охлаждается быстро, а та часть, которая находится дальше, затвердевает медленно. Как результат, в центре слитка может образоваться полость.
«Вообще говоря, это фатальный дефект, но, поскольку избежать его было нельзя, нам приходилось с ним как-то мириться. Но в производстве критически важных с точки зрения безопасности деталей, к примеру, турбин реактивных двигателей, это просто недопустимо. И мы можем этого избежать благодаря трехмерной печати».

Испытания показали, что изготовленные с помощью аддитивного производства детали прочнее, чем кованые детали, которые отливаются в форму, прессуются под ударами и подвергаются нагреву ради повышения прочности. Сложность заключается во времени и стоимости трехмерной печати, но «наука и технологии постоянно идут вперед. Однажды и эта проблема решится», — выражает надежду профессор Тиба.

Совместная разработка с нашей компанией, обладающей ноу-хау в области электронных лучей

Профессор Тиба и г-н Янагихара, исследователь

Профессор Тиба и г-н Янагихара, исследователь

Прототип электронно-лучевого XNUMXD-принтера с печатью по металлу — в рамках проекта TRAFAM

Прототип электронно-лучевого XNUMXD-принтера с печатью по металлу — в рамках проекта TRAFAM

В ходе исследований в сфере аддитивного производства профессор также сфокусировался на разработке японского электронно-лучевого 3D-принтера, способного обрабатывать металл. Партнером он выбрал производителя электронных микроскопов JEOL.

«Электронные микроскопы оперируют электронными лучами в нанометровом масштабе. На базе этой технологии можно разработать лучший в мире 3D-принтер. Я предложил JEOL создать его вместе».

Таким образом, и наша компания включилась в проект Министерства экономики, торговли и промышленности по разработке 3D-принтеров «TRAFAM», стартовавший в 2014 году. Одна из инициатив была направлена на повышение точности производства приблизительно в пять раз, скорости — в десять раз и площади формовки — в три раза. Цели практически достигнуты. В настоящее время прототип тестируется профессором Тиба и, как ожидается, вскоре будет запущен в коммерческую эксплуатацию. (на момент интервью в марте 2018 г.).

«Такие методы металлообработки, как литье (изготовление формы, заливка) и ковка (деформация ударами, нагрев), являются древним наследием, существующим уже тысячи лет. Человечество проявило уникальный талант в усовершенствовании этих методов, однако традиционная металлообработка потребляет много энергии, на изготовление даже небольших литейных форм затрачиваются миллионы иен, а в ходе производства необходимо учитывать сжатие при охлаждении и неоднородное распределение материала — целый букет аналоговых технологий. Трехмерная печать же позволяет контролировать микроструктуру сплава непосредственно в ходе производства. Объединив и визуализировав процессы разработки материала и непосредственной обработки, мы, можно сказать, вступим в новую эру создания материалов. Я бы хотел как можно скорее подготовить фундамент для повсеместного внедрения этой технологии», — с энтузиазмом поделился профессор.

Близится расставание с тысячелетним наследием.

  • Ассоциация технологических исследований будущего аддитивного производства

Акихиро Тиба

Акихиро Тиба

Профессор, деформационная обработка, Институт исследования материалов, Университет Тохоку

1982 г. — окончил кафедры материаловедения и инженерии инженерного факультета Университета Тохоку.
1985 — сотрудник лаборатории Хитачи, Hitachi, Ltd.
1992 — доцент Инженерного факультета Университета Иватэ.
2002 г. — профессор Университета Иватэ.
С 2006 г. — на текущей должности
Исследовательские интересы: нанотехнологии и обработка материалов / материалов, контроль микроструктуры и технологии обработки.

Время публикации: май 2021 г.

Контакты

JEOL предлагает широкий ряд услуг по техническому обслуживанию и ремонту, чтобы наши клиенты могли спокойно и осознанно работать с оборудованием.
Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам!