Огнем и волной: все о 3D-печати металлом

Среди великого множества существующих в мире аддитивных технологий явно лидируют две – печать расплавленным пластиком и лазерное спекание металлического порошка. В первом случае к печатающей головке подается нить из легкоплавкого пластика, кончик нити нагревается и мгновенно превращается в капельку жидкого расплава, которая наносится в нужную точку формируемого изделия и вскоре застывает. Было бы неплохо печатать так же и металлом, но металл не пластик и не воск. Как же создать в печатающей головке такую температуру, чтобы она мгновенно превращала сталь в жидкость? Пришлось сначала изобрести для печати металлом лазерное спекание.

А потом ответ был найден. В стенах БГТУ уже пару десятилетий разрабатывается и совершенствуется технология 3D-печати металлом с помощью... электродуговой сварки. Здесь почти все как в принтере для пластика: вместо порошка – подаваемая в точку печати металлическая нить, или попросту проволока (сварщики называют ее присадочным материалом). Электродуговой разряд плавит присадочный материал и помещает капельку металла в точно заданное место. «Электродуговая сварка лежит лишь в основе нашего метода, – рассказывает Андрей Киричек, руководитель проекта, профессор и проректор БГТУ. – На самом деле приходится решать весьма нетипичную для сварных работ задачу – придавать форму печатаемому изделию,
наращивать стенки. Вручную это невозможно: нужна автоматизация и программное управление процессом, что мы и сделали. С другой стороны, есть возможность использовать опыт, накопленный в области сварки. Устройства и оснастка для сварочных работ выпускаются массово и стоят недорого».

Технология 3D-печати металлом с помощью электродуговой сварки имеет серьезные перспективы. У брянских разработчиков есть конкуренты из Германии, США и Норвегии, и все эти компании переживают бурный рост. Быть в авангарде уже дорогого стоит, но России удалось продвинуться дальше всех. Дело в том, что помимо аддитивного модуля, занятого собственно выращиванием изделия, отечественная установка включает в себя модуль упрочнения. В стандартном случае напечатанная на принтере деталь будет иметь кристаллическую структуру обычного литого изделия. Но если наращиваемые слои периодически уплотнять ударными импульсами, превращая крупные дендриты в колонии микроструктур, то прочность детали серьезно возрастет. В случае с аустенитными сталями, например, предел текучести материала увеличивается в 2–2,5 раза, предел прочности – в 1,5 раза. Это дает возможность использовать более дешевые сплавы. Модуль упрочнения представляет собой генератор механических импульсов, посредством которого на металл воздействует волна деформации, – это положительно влияет на кристаллическую структуру, механические и эксплуатационные свойства упрочненного металла.

Работа над применением деформационного упрочнения в аддитивных технологиях в БГТУ началась около пяти лет назад, и тогда же этой проблемой заинтересовался ФПИ, при поддержке которого в университете была создана специальная лаборатория. На сегодня в мире нет ни одной компании, которая выпускала бы оборудование, соединяющее процессы выращивания изделия методом сварки и волнового деформационного упрочнения.

Третий модуль установки, о которой идет речь, – фрезерный, который обеспечивает при необходимости механическую обработку детали. «Надо признать, что по сравнению с лазерным спеканием наша технология формирования изделия несколько более грубая, – объясняет Андрей Киричек, – но даже самые продвинутые "порошковые" принтеры дают погрешность не менее 0,1 мм, а для прецизионной механики (например, в газовой турбине) это слишком много. Поэтому без мехобработки, обеспечивающей высокую точность форм, пока не обойтись. Преимущество нашей установки – в возможности чередовать работу модулей так, как требуется. Например, вырастить лишь часть изделия, чтобы обработать его внутренние труднодоступные в окончательном виде поверхности».

В силу большей точности технология лазерного спекания лучше подходит для некрупных деталей сложной формы с внутренними полостями, тонкими ребрами и т.д. Но есть множество крупногабаритных изделий, которые также необходимо выращивать. В этом случае на первый план выходят соображения экономичности или масштабируемости. И здесь у новой технологии масса преимуществ.

Лазерное спекание – весьма недешевая технология, и особенно дорог сам порошок. Компании, выпускающие оборудование для спекания, настраивают его исключительно под порошки собственного производства. Ассортимент порошков даже у известных компаний невелик. В России в промышленных масштабах они не выпускаются, и это сильно ограничивает возможности технологии. Плюс у сварочного метода производительность выше примерно в 6 раз. А главное, изготавливать методом спекания сколько-нибудь крупную деталь экономически нецелесообразно, зато создать установку для печати и упрочнения металлических балок сложной формы вполне возможно и выгодно.

Интересно сравнить технологию волнового деформационного упрочнения с традиционной ковкой, ведь цели и методы этих процессов в целом схожи. «Действительно, и там и там происходит деформация и упрочнение, – говорит Андрей Киричек, – но в нашем случае энергия поступает в очаг деформации в виде волны. Волна – это поток импульсов, которые имеют длительность, амплитуду, форму. При ковке импульсы кратковременные и редкие; многие процессы, которые могут изменить структуру металла, просто не успевают пройти. Мы работаем пролонгированными (в 10 раз более длинными) импульсами частотой от 8 до 40 Гц, воздействие на материал долговременное, коэффициент полезного использования энергии удара на упруго-пластическую деформацию упрочняемого материала в 5–10 раз выше по сравнению с обычным ударом и достигает 65%. При простом ударе этот показатель составляет всего 5–12%.

Волна проходит через все сечения металла, многократно отражается от участков с разной акустической жесткостью и от поверхности, на которой лежит деталь. За счет этого в изделии фактически формируются волновые состояния. В узлах пересечения прямых и отраженных волн происходит более интенсивное упрочнение, в промежутках – менее интенсивное. Такое распределение хорошо влияет на эксплуатационные свойства. Фактически технология позволяет обеспечить большую глубину упрочнения, усилить все слои одновременно. Возможно, на сегодня это единственный способ, который позволяет добиться такого результата».

Спектр применения новых технологий потенциально огромен – от изготовления деталей ракетно-космической и авиационной техники до автомобилестроения и производства спецтехники. В июне 2019 года работающая по аналогичной технологии аддитивного синтеза американская фирма Relativity Space подписала соглашение с NASA о переоборудовании фабрики в Миссисипи в первый в мире автоматизированный завод по производству ракет Relativity Space Terran 1. На фабрике планируется использовать новую версию принтера Stargate, которая меньше оригинальной и может быть размещена на движущейся платформе для печати частей ракеты высотой в здание.

В России уже проводились эксперименты по использованию волнового упрочнения для придания броневых свойств изначально неброневым материалам, которые стоят в 5–10 раз дешевле. Также удалось повысить пулестойкость обычной брони на 15–30%.

Очень многие силовые металлические детали, находящиеся в составе машин и сооружений в сложном напряженном состоянии, могли бы производиться с помощью сварной 3D-печати с последующим уплотнением. «Перспективы огромные, – объясняет Андрей Киричек, – но и препятствий на пути распространения технологии немало. Вспоминается история лазерных раскроечных комплексов. Когда они только появились, предприятия отнеслись к новой технике с осторожностью, даже со скепсисом. Оборудование дорогое, подготовленного персонала нет, объем работ, производство которых окупило бы комплекс, не гарантирован. Пришлось поначалу создавать региональные лазерные центры, где компании размещали разовые заказы. Прошло 10 лет, и производственники поняли преимущество технологии, сформировался рынок; теперь практически на каждом предприятии есть один или несколько станков для лазерной резки и раскроя металла. Похожим путем, видимо, придется идти и нам. Кроме того, изготовление ответственных деталей, например для авиации, оборонного комплекса, требует сертификации, а это процесс затратный и небыстрый. Но других вариантов нет».