Какая технология позволяет изготовить одну деталь вместо трех и сделать это за несколько дней? Не оставляет швов при производстве и использует меньше материала? Все это про 3D-печать. Таким способом можно изготавливать имплантаты в медицине, детали двигателей, элементы оборудования для атомных станций малой мощности. Какие 3D-принтеры создают ученые Росатома, и ждет ли нас напечатанный реактор, рассказал руководитель направления проектного офиса по новым материалам и технологиями частного учреждения по обеспечению научного развития атомной отрасли «Наука и инновации» Александр Жедаев в статье TechInsider.
Начнем с основ. Главное отличие 3D-печати от традиционного производства — добавление материала вместо его удаления. Кажется, что это не так уж трудно, возможно, даже проще, чем выпиливать нужную деталь из отлитой формы. На практике все сложнее.
Даже при работе на самых простых 3D-принтерах аддитивное производство — это поиск компромисса между разными стратегиями печати, между скоростью изготовления и детализацией. Не забудем и про огромный выбор технологий «наращивания» и доступных материалов: порошки и проволоки, металлические сплавы и полимеры, композиты, керамика и стекло. Зато в результате — сложнейшие и уникальные изделия.
«С аддитивными технологиями создание прототипов теперь занимает считаные дни от чертежа до испытаний, потому что теперь не нужно тратить время на изготовление литьевой формы, отливку и механическую обработку. Если говорить о медицине, то здесь открывается возможность всего за один-два дня изготовить персонализированный имплантат под каждого пациента», — объясняет Александр Жедаев, руководитель направления проектного офиса по новым материалам и технологиями частного учреждения по обеспечению научного развития атомной отрасли «Наука и инновации».
С этого примера и начнем — ведь все мы примерно представляем, как выглядит, скажем, челюстная кость, и насколько сильно она отличается у разных людей. Медицинское сканирование, которое раньше использовали лишь врачи, чтобы оценить повреждения, теперь отправляется на компьютер к специалистам по 3D-печати.
Создав сперва по этим сканам модель костей человека, они могут максимально точно заполнить повреждения имплантатом, а потом с такой же точностью его напечатать — методом селективного лазерного плавления (SLM) с применением порошка из титанового сплава.
Титан используется не просто так. Он прочный и очень легкий, но главное, что он срастается с костями. И именно 3D-печать позволяет с помощью технологии топологического дизайна выстроить внутри имплантата сетчатую структуру, которая со временем зарастет живыми костными и мягкими тканями пациента.
Более того, титан — дорогой металл, и при работе с ним традиционными методами коэффициент использования может составлять всего 30%, остальное идет «в мусор». Как рассказывает специалист Росатома, в селективном лазерном плавлении этот показатель достигает 80–90%, то есть на весь процесс производства уходит значительно меньше материала.
Теперь поговорим про сложность. Ракетные двигатели — сложнейшие структуры, которые к тому же должны выдерживать сильные нагрузки, поэтому изготавливают их из тугоплавких материалов. Конечно, такой материал отлично переносит высокие температуры, но вот обрабатывать его очень сложно. С такой же проблемой сталкиваются инженеры, которые работают с керамическими материалами на основе карбида кремния.
«Разработки в области селективного электронно-лучевого плавления с применением порошкового материала из сплава на основе ниобия, легированного молибденом, делают возможным изготовление узлов подвеса высокотемпературных двигательных установок для применения в ракетно-космической отрасли. Также специалисты атомной отрасли ведут исследования в области использования керамических материалов в аддитивном производстве», — приводит еще один пример Александр Жедаев.
В обоих примерах — и имплантатах, и деталях для двигателей — аддитивная технология подразумевает послойное построение, когда в рабочей зоне 3D-принтера слой за слоем накладывается порошок, что позволяет обеспечить высокую детализацию, но ограничивает максимальные размеры изделия. Поэтому отдельной ветвью развивается использование проволочных материалов — «робот» с проволокой и инструментом ее плавления гораздо более мобильный.
«С применением аддитивного электродугового выращивания проволочных материалов из стали 08Х18Н10Т удалось исключить сварные швы в сборке из трех деталей и сократить время изготовления крупногабаритной емкости с замкнутой геометрией для применения в периферийном оборудовании атомных станций малой мощности (АСММ)», — рассказывает Александр Жедаев.
Традиционными методами такие емкости изготавливаются за полгода и из трех деталей. «На установке аддитивного электродугового выращивания это можно сделать за два месяца, то есть сократить срок изготовления в три раза, а в перспективе и еще быстрее», — обещает эксперт. Вернемся к вопросу размера деталей.
«Высота емкости для АСММ — чуть более метра, и это не предел. Габариты зоны построения составляют 2500×2500×1000 мм и могут быть скорректированы исходя из задачи», — добавляет Александр Жедаев.
Все-таки главное направление Росатома — атомная энергетика. Означает ли развитие аддитивных технологий, что в будущем корпорация будет печатать ядерные реакторы? Задача амбициозная, но, как объясняет нам эксперт, не совсем целесообразная:
«Приведу аналогию: для того, чтобы забить гвоздь, нужно использовать молоток, а не шуруповерт, но, когда стоит задача вкрутить саморез, шуруповерт будет гораздо эффективнее применения отвертки».
Тем не менее большинство исследований Росатома направлены как раз на обоснование применения аддитивных технологий в производстве изделий для атомной энергетики — как для работающих установок, так и для будущих:
- в оптимизации производственного цикла деталей реакторов, введенных в эксплуатацию;
- в изготовлении выгородки внутрикорпусного устройства реактора с более эффективной системой каналов охлаждения;
- в разработках энергетических установок для АСММ и исследовательских жидкосолевых реакторов (ИЖСР);
- в повышении стойкости к агрессивным средам турбинных колес в ИЖСР;
- и в повышения экономической эффективности производства дисковых заготовок для дистанционирующих решеток в тепловыделяющих сборках (ТВС).
Для этого Росатом продолжает совершенствовать свои аддитивные установки. Например, установки электронно-лучевого плавления пока не имеют аналогов в России. По словам Александра Жедаева, главное их преимущество состоит в том, что в отличие от зарубежных аналогов тут используются специально разработанные электронно-лучевые пушки. При селективном электронно-лучевом плавлении они дают более высокую точность. А при прямой наплавке — возможность управления зонами нагрева осаждаемого материала.
Еще у Росатома есть установки селективного лазерного плавления с отечественной лазерно-оптической системой, которая позволяет управлять структурой материала с помощью дополнительного лазерного воздействия. Также в них используется российская программно-аппаратная платформа — в нее гораздо проще интегрировать новые разработки.
Как рассказывает Александр Жедаев, одна из задач на этот год — усовершенствовать эту платформу. В частности, разработать «систему интеллектуальной обратной связи, которая будет прогнозировать поведение технологического процесса на основе данных систем контроля и принимать решения о корректировке технологических параметров в процессе 3D-печати с целью предотвращения появления дефектов, а также обеспечения требуемых свойств материала в изделии».
Вообще, программное обеспечение — важный аспект развития аддитивных технологий, ведь чем точнее будут расчеты, модель и печать, тем качественнее получится изделие. Программа «Виртуальный 3D-принтер» создана в Росатоме на основе программного обеспечения «ЛОГОС» разработки ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», которое объединяет расчетные модули суперкомпьютерного моделирования с системами инженерного анализа.
В рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий (КП РТТН) к концу этого года Росатом планирует завершить разработку трех единиц аддитивного оборудования: установки электронно-лучевой наплавки (EBAM), а также двух установок для работы с полимерными композиционными (FDM) и керамическими материалами (LDM/SLA).
В следующем году, помимо разработки системы интеллектуальной обратной связи, команда планирует завершить разработку высокотемпературного принтера селективного лазерного плавления для работы с жаропрочными и интерметаллидными материалами — например, ВЖ-159 и ВИТ7Л.
А также, как обещает Александр Жедаев, будет готова целая линейка перспективных 3D-принтеров:
- установка селективного электронно-лучевого плавления порошков из тугоплавких материалов;
- установка селективного лазерного спекания керамических порошков с применением кластерной оптической системы из восьми вертикально расположенных сканаторов;
- установка селективного лазерного плавления с возможностью управления микроструктурой материала;
- два принтера для изготовления крупногабаритных изделий методом прямого электродугового и плазменно-дугового выращивания.
Все они приведут к расширению возможностей аддитивного производства, а чем больше у инженеров возможностей, тем больше рождается идей.
Получается, что мир будущего, который мы привыкли представлять себе по научно-фантастическим книгам и фильмам, с прочными и легкими материалами, космическими путешествиями и бесконечной энергией — это мир, в котором человек полностью освоил аддитивные технологии.
Полную версию статьи читайте на сайте TechInsider.
***
Подписывайтесь на канал и следите за новостями науки.
