Революция в разработке материалов за счет аддитивного производства с использованием электронно-лучевой плавки
－Отход от наследия через тысячи лет
ИНТЕРВЬЮ 10
Акихико Чиба
Профессор обработки деформации, Институт исследования материалов, Университет Тохоку
Революция в разработке материалов за счет аддитивного производства с использованием электронно-лучевой плавки
Технология аддитивного производства, использующая AM Machine для производства металлических деталей. Ожидается, что он произведет революцию в производстве деталей для самолетов и ракет, от которых требуется прочность и надежность. Мы спросили профессора Акихико Тиба из Института исследования материалов Университета Тохоку, который является лидером в области технологий производства металлов в Японии, о потенциале этой технологии.
Рождение новой обработки металлов
Человеческая раса может совершить еще один прорыв в этом. Это не ИИ (искусственный интеллект), а технология аддитивного производства металла.
Аддитивное производство означает так называемый 3D-принтер (или AM Machine). Он родился в конце 1980-х годов для использования пластмасс. Но в 2000-х появилось и оборудование, позволяющее аддитивное производство с использованием металлов.
«Когда я посмотрел на продукт в электронный микроскоп, я увидел, что образовался чистый монокристалл. Это можно назвать новой обработкой металла. Меня это сильно интересовало».
Профессор вспоминает, как впервые увидел аддитивное производство с использованием электронного луча. Первоначально предполагалось, что аддитивное производство будет технологией обработки, подходящей для легкого изготовления прототипа. Однако тот факт, что кристаллы красиво выстроены, означает, что он обладает достаточной прочностью. Тогда можно было бы считать аддитивное производство технологией обработки металла для 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. Он также продолжает поиск металлических материалов, подходящих для искусственных суставов или имплантатов.
«Мы смешиваем металлические элементы друг с другом, расплавляем их, затвердеваем, нагреваем и куем. Вот что значит разработать новый материал», — так он определяет свое исследование.
Хотя он достаточно прочен, чтобы его трудно было деформировать при комнатной температуре, его можно расплавить и залить в формы, а также придать ему различные формы путем резки и сгибания. Кроме того, он не гниет, как дерево. Металл является идеальным промышленным сырьем. С начала истории люди сделали много изобретений, обрабатывая металлы. Начиная с оружия и священных предметов, металлы широко использовались в строительных материалах, автомобильных деталях, компьютерах и деталях самолетов. Разработка материалов для повышения прочности и совершенствование технологии обработки для повышения эффективности и точности обработки стали основой для новых изобретений, которые, в свою очередь, породили новые потребности и побудили к следующему изобретению.
В настоящее время рынок больше всего ожидает «жесткости». Ожидается, что металлические материалы будут обладать прочностью, способной выдерживать тяжелое и жесткое использование, и обеспечивать абсолютную надежность изделий. Форсунки для впрыска топлива и лопатки турбин реактивных двигателей являются лучшими примерами этого.
«Рыночный спрос на твердые материалы очень велик. И мы можем достичь твердости, чтобы удовлетворить его. Однако мы не можем быть довольны только тем, что произвели твердый круглый пруток или слиток. мы можем использовать их на практике. Однако иногда материал слишком тверд для механической обработки. При разработке материала необходимо учитывать не только состав, но и последующий процесс обработки». Титан, например, прочнее стали и имеет примерно половину массы стали, что делает его одним из идеальных материалов в аэрокосмической области. Однако он склонен реагировать с различными элементами при высоких температурах, поэтому ковка и сварка требуют специальных процессов. Расплавленный титан заливается в форму в среде, защищенной от кислорода и азота, или, если это невозможно, заливается в форму деталью толщиной более чем в два раза, а затем строгается до необходимой толщины. Естественно, себестоимость производства возрастает.
«У меня было много проблем с титаном», — сказал профессор. Он надеялся, что 3D-принтер (AM Machine) сможет сократить трудозатраты, связанные с процессом формования.
От ожидания к уверенности
«Электронный луч делает это возможным»
Однако 3D-принтер (AM Machine), который он впервые увидел в начале 2000-х, стал полным разочарованием.
«Это был метод формования металлических порошков путем облучения их лазером. Однако, когда я посмотрел на готовые детали, я обнаружил, что прочность была слишком низкой, и хотя это было хорошо для прототипирования, я чувствовал, что это будет задолго до того, как я смог использовать его для продуктов».
В то время в головке использовался лазер на углекислом газе. Из-за большей длины волны он отражался от поверхности металлов, таких как алюминий, медь и титан, что приводило к недостаточному плавлению. Предполагалось, что реакции с кислородом и другими веществами при высокотемпературной обработке также приводят к порче.
Несколько лет спустя он познакомился с методом аддитивного производства с использованием электронного луча компанией, присутствовавшей на той же научной конференции. Профессор резко отреагировал на слово «электронный пучок».
Искусственный сустав методом аддитивного производства
«Электронный луч был технологией, используемой в сварке и электронных микроскопах. Для этого требовалась вакуумная среда. В вакуумной среде обработка была возможна без воздействия кислорода и азота, поэтому используемые материалы могли не иметь значения, будь то титан или иначе, подумал я».
Именно здесь он увидел аддитивное производство с использованием электронного луча, о котором он упоминал ранее. Искусственный сустав, который он видел на заводе в Гётеборге, Швеция, был достаточно прочным, а также имел микронную пористость, чтобы способствовать слиянию с живой костью.
«Идеальный состав, прочность и отделка поверхности искусственного сустава могут быть достигнуты без использования форм. Прежде всего, было революционно иметь возможность адаптировать процесс к телу каждого пациента».
Очарованный возможностями, профессор приобрел оборудование и провел исчерпывающие исследования характеристик материалов «совершенно новой обработки металлов».
В результате стало очевидно, что он не только не уступает традиционным методам обработки, но и имеет преимущество, которого не мог достичь ни один другой метод обработки. Это была «однородность распределения материала».
Обычно при изготовлении сплава металлы сплавляются вместе, а затем охлаждаются, образуя слиток. Во время этого процесса охлаждения более тяжелые элементы опускаются на дно, а более легкие собираются сверху. Таким образом, в слитке возникает неоднородность материала (= расслоение). Если материал неоднороден, такие свойства, как прочность, также будут неоднородными. Это может не быть проблемой для небольших слитков, но для больших слитков со сторонами в несколько метров требуется время для затвердевания, и сегрегация не является незначительной. Однако эта неоднородность не может возникнуть в аддитивном производстве, где порошки расплавляются и формируются на месте.
Кроме того, при заливке в форму при литье часть, расположенная ближе к форме, быстро охлаждается, а часть, находящаяся дальше, затвердевает медленно. При этом в центре может образоваться полость.
«Обычно это фатальный недостаток, но, поскольку его нельзя избежать, у нас есть история того, как с этим смириться. Однако это неприемлемо для критически важных с точки зрения безопасности деталей, таких как турбины реактивных двигателей. При аддитивном производстве это может быть избегать».
Испытания на прочность показали, что детали, изготовленные с помощью аддитивного производства, прочнее, чем кованые детали, которые отливаются в форму, а затем подвергаются дальнейшему удару или нагреву для повышения прочности. Проблема заключается во времени и стоимости, необходимых для производства, но «наука и технологии всегда развивались к лучшему. Я очень надеюсь, что однажды эта проблема будет решена», — надеется он.
Совместная разработка с JEOL, у которого есть ноу-хау в области электронных лучей.
Профессор Тиба и Янагихара, исследователь
Поддержка прототипа электронно-лучевого аддитивного станка по металлу – проект TRAFAM
Пока профессор продолжает свои исследования в области аддитивного производства, еще одной областью, на которой он сосредоточился, является разработка отечественного электронно-лучевого 3D-принтера по металлу (AM Machine). В качестве партнера был выбран производитель электронных микроскопов JEOL.
«Электронные микроскопы управляют электронными лучами в нанометровом масштабе. Используя эту технологию, можно разработать лучший в мире 3D-принтер (AM Machine). Я спросил их, можем ли мы работать вместе над его разработкой».
Таким образом, компания JEOL приняла участие в проекте Министерства экономики, торговли и промышленности по разработке 3D-принтеров TRAFAM.※, который стартовал в 2014 году. Один из их проектов, который продлился до 2018 года, был направлен на повышение точности изготовления изделия примерно в пять раз, скорости в 10 раз и размера застраиваемой площади примерно в три раза. Цели почти достигнуты. В настоящее время прототип тестируется профессором Чиба, и ожидается, что вскоре он будет запущен в коммерческую эксплуатацию. (на момент интервью в марте 2021 г.).
«В обработке металлов литье, которое включает в себя изготовление формы, заливку и ковку, которая включает в себя удары и нагрев, являются наследием, которое существует уже тысячи лет. Человеческие расы продемонстрировали большой талант в совершенствовании этих методов. энергии, стоить миллионы иен, чтобы сделать даже небольшую форму, и требует производства, которое объясняет тот факт, что форма становится меньше по мере ее охлаждения и что распределение материала неоднородно.Они действительно были набором аналоговых технологий.Однако с аддитивное производство, теперь можно даже контролировать микроструктуру металлического сплава в процессе производства.Если процесс разработки материала и процесс производства и обработки можно визуализировать единым образом, мы можем сказать, что мы вступаем в новую эру материального развития. Я хотел бы, чтобы эта технология внедрялась в общество как можно скорее». Он был полон энтузиазма.
Отход от тысячелетнего наследия почти налицо.
Ассоциация технологических исследований будущего аддитивного производства
Акихиро Тиба
Профессор деформационной обработки, Институт исследования материалов, Университет Тохоку
1982 г. Окончил факультет материаловедения и инженерии инженерного факультета Университета Тохоку.
1985 Лаборатория Хитачи, Hitachi, Ltd.
1992 Доцент Инженерной школы Университета Иватэ.
2002 г. Профессор Университета Иватэ.
2006-н/в настоящее время.
Его исследовательские интересы включают нанотехнологии и обработку материалов / материалов, контроль микроструктуры и технологию обработки.
Размещено: май 2021 г.