Порошки для аддитивных технологий

Металлические порошки  для аддитивных технологий

Аддитивные технологии – одно из наиболее перспективных направлений производства XXI века, позволяющее получать изделия посредством компьютерной 3D-модели, что ведет к значительному упрощению и удешевлению многих технологических процессов, особенно, если речь идет о производстве сложных геометрических и высокоточных деталей. Кроме того, благодаря аддитивным технологиям появляется масса возможностей для расширения сферы порошковой металлургии.

О данном инновационном методе впервые заговорили в конце 80-х гг. прошлого века, когда американская компания 3D Systems представила свои первые 3D-принтеры, сначала лазерные, а потом и порошковые. Однако первое время ввиду дороговизны материалов они применялись исключительно в научных целях и оборонной промышленности. Но время не стоит на месте, все развивается, и рынок 3D-технологий. Ввиду повсеместного продвижения цифровых систем, аддитивные технологии (Additive Manufacturing или АМ-технологии), как их еще называют, сегодня активно внедряются в целом ряде производственных отраслей. Особенно популярны они там, где имеется потребность в изготовлении изделий сложной геометрии и «выращивании» металлических деталей. Чаще всего это касается ведущих промышленных отраслей, таких как, авиационная и автомобильная промышленность, приборо- и судостроение, энергетика, стоматология и хирургия. Поэтому вполне логично, что основными заказчиками аддитивных технологий становятся крупные мировые производители, такие как: «Боинг», «Дженерал Электрикс», «Дженерал Моторс», «Мерседес», «Мицубиси» и другие. А в ближайшие 10 лет по прогнозам аналитиков «Дженерал Электрикс» примерно половина деталей энергетических турбин и авиационных двигателей будет производиться посредством данных технологий, откроется множество перспектив в аэрокосмической сфере. Ведь с помощью послойного метода построения деталей, используемого в АМ-технологиях, реально получить сложные изделия (имеющие переменные толщины, сетчатую конструкцию, нестандартную форму и т.д.), которые невозможно произвести иным способом. А, кроме того, 3D-технологии позволяют серьезно сократить затраты на производство.

Сегодня в мире существует два принципиально разных вида АМ-технологий:

• селективный синтез (технология Bed Deposition), предполагающий формирование слоя порошка с последующей выборочной обработкой сформированного слоя лазером или другим источником тепла;
• прямое осаждение материала (Direct Deposition), т.е. непосредственно в точку, куда подводится энергия, и где в данный момент происходит построение фрагмента детали.

Стоит отметить, что сегодня рынок чаще всего предлагает именно машины первого типа, где в качестве источника энергии для формирования слоя чаще всего используется лазер. Среди производителей данного оборудования – компании из Европы, США и даже Китая: «Аркам» (Schweden), «Пекинские автоматизированные системы изготовления» («BLYAFS», China), «КонцептЛазер» (Germany), «ЕОС» (Germany), «Феникс Системы» (France), «Ренишоу» (Britain), «СЛМ Солюшнс» (Germany), «Системс» (USA) и «Точные механизмы Трампа» (China). Среди производителей второй группы машин выделяются сегодня компании: «Инсектицид» (South Korea) и «ИрепаЛазер» (France), хотя лидерство здесь бесспорно принадлежит американским компаниям: «ПОМ-Групп», «Оптомек» и «Сиаки».

Если говорить о характеристиках самих металлических порошков, используемых для работы подобных 3D-машин, то единых требований к ним, за исключением сферической формы частиц, позволяющей обеспечить компактное укладывание материала, а также его «текучесть» с минимальным сопротивлением, просто не существует. Обычно сами производители 3D-оборудования для работы рекомендуют те или иные материалы, для производства которых используются специальные устройства – атомайзеры, состоящие из двух камер (плавильной и распылительной).

На сегодняшний день процесс получения порошкового материала для АМ-технологий сводится к трем основным методам: газовой, вакуумной и центробежной атомизации. В первом случае металл загружается в плавильную камеру (в вакууме или инертной среде), а после плавления сливается через специальный распылитель, и с помощью струи инертного газа под давлением формируется необходимое состояние частиц. При этом в Европе существует лишь несколько производителей подобных атомайзеров. Это голландская компания «АЛД», а также две английские – «ПСИ» (Phoenix Scientific Industries Ltd) и «Автоматические Системы».

Во втором случае производство мелкодисперсного металлического порошка происходит с помощью растворенного в расплаве газа при переходе металла из плавильной камеры в распылительную, где и создается вакуум.

Технологии же центробежной атомизации на сегодняшний день довольно многообразны, но наибольшее внимание привлекают к себе способы производства металлических порошков из сплавов реактивных и тугоплавких металлов, считающиеся наиболее ценными для данных технологий. И главное, что, пожалуй, сдерживает сегодня их активное развитие – это высокая цена расходных материалов.

В России серийное производство установок, в работе которых используются металлические порошки, как и, собственно говоря, самих машин для производства порошковых материалов, применяемых в АМ-технологиях, пока отсутствует. Поэтому российские потребители до сих пор вынуждены закупать подобное оборудование за границей, а это, как известно, всегда значительно дороже. А вместе с тем число основных потребителей металлических порошков для аддитивных технологий в России составляют крупные научные и производственные компании. Среди них: ОАО «Авиадвигатель» (Пермь), ОАО «ВИАМ», ЗАО «Новомет-Пермь», ПАО «НПО «Сатурн», «Центр технологической компетенции аддитивных технологий» (Воронеж) и т.д.

Однако, есть у нас и хорошие новости. Прежде всего, стоит отметить, что последние годы ряд российских организаций активно занимается проектированием и производством опытных образцов различных 3D-машин. ОАО «Электромеханика» (Тверская область) совместно с ФГБОУ ВПО «МГТУ «СТАНКИН» создали 3D-установку для выращивания в вакууме точных титановых заготовок сложных деталей методом послойного синтеза. ОАО «ТВЭЛ» совместно с научными организациями Уральского отделения РАН работает над установкой для селективного лазерного сплавления. «Росатом» и Минобрнауки – над созданием 3D-принтера для изготовления металлических изделий. Специалисты ОАО «Национальный институт авиационных технологий» и Института проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) занимаются разработками аппаратов для лазерного послойного синтеза.

Кроме того, металлические порошки для аддитивных технологий сегодня уже возможно приобрести в России. Так, например, к числу российских производителей, занимающихся производством данных расходных материалов, относится Научно-производственное объединение «РусРудМет». Компания существует с 2014 года и последние несколько лет активно занимается не только производством и продажей редких и редкоземельных металлов, их сплавов и соединений в виде проката и изделий для плавки и синтеза, но и производит разного рода металлические порошки, в том числе, для АМ-технологий и металлических принтеров. При этом НПО специализируется на производстве высокочистых сферических порошков с максимально возможной сферичностью и минимальной эллипсностью. Среди поставляемых «РусРедМет» металлических порошков для аддитивных 3D-технологий стоит выделить: специальные порошковые материалы марок ВТ1-00 и ВТ-6, характеризующиеся улучшенными потребительскими характеристиками, а также другие металлические порошки: ПР-07Х18К9М5Т, ПР-07Х18К9М5Т, ПР-08ХН53БМТЮ, ПР-КХ28М6, ПР-Х15Н5Д4Б, ПР-Х16Н4Д4Б, Ti6AL4V Gr5 и Ti6AL4V Gr23 (все они имеют необходимые сертификаты качества).

Учитывая вышесказанное, а также то, что потребность в АМ-технологиях в РФ растет день ото дня, эксперты довольно высоко оценивают перспективы данной сферы на территории России. Тем более, что внедрение аддитивных технологий способно реально отразиться не только на уровне развития отдельных отраслей производства, таких как авиакосмическая сфера, военная и гражданская авиация, машино- и судостроение, микроэлектроника и приборостроение, энергетика и т.д., но и в целом сказаться на состоянии экономики и уровне развития государства. Именно поэтому для дальнейшего развития АМ-технологий в России на данный момент наиболее остро встает вопрос производства металлических порошковых материалов для работы аддитивных 3D-машин.