Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
13:55
28 августа
Наука

Революционные способы выращивания материалов и обработки металлов

Доктор технических наук Глеб Туричин о том, как создается «новая сфера человеческой деятельности»
1 452
0
Расписание
Следующий выпуск
11 декабря 16:00
воскресенье: 10:00, 16:00
понедельник: 02:00, 06:00
вторник: 11:00
суббота: 16:00

В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого публикуем лекцию доктора технических наук Глеба Туричина, посвященную выращиванию различных материалов из специального порошка.

Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука».

Удивительное дело, но вообще все забыли, что мы с вами живем в железном веке. И этот железный век, как бы ни говорили сейчас о новых материалах, которые придут на смену металлическим материалам, о новых принципах создания изделий, в ближайшее время еще никуда не денется. А железный век значит две вещи: это материал — металлы, и это технология обработки этих металлов. Длится этот железный век у нас с вами примерно последние 3500 лет, и за всё это время количество технологий обработки материала не увеличилось. Технологии менялись, но, как когда-то литейщики отливали наконечники стрел, так до сих пор такие технологии, как литье, очень широко используются в промышленности во всем мире. И эта промышленность сейчас построена в основном на технологиях литья и резанья. Сначала что-то отливается, потом это что-то режется, может быть, деформируется. Это так называемые технологии вычитания. Но, наверное, в последние 10–15 лет развивается новый комплекс технологий. Это не технологии вычитания, а это технологии сложения, или аддитивные технологии.

В отличие от технологий литья и резанья, аддитивное производство построено на добавлении материала. Изделия создаются за счет добавления металлического порошка, либо металлической проволоки, либо металлического расплава туда, куда нужно. И такой подход позволяет, с одной стороны, очень здорово экономить материал, а с другой стороны, совершенно революционным образом повышать производительность процессов. И то, что раньше делалось месяцами, сейчас может делаться за часы. И третье, что дают аддитивные технологии и что невозможно получить по-другому, — это возможность создавать изделия такой формы, которую никакие традиционные технологии принципиально создать не могли. То, что я сказал, сейчас, наверное, уже является общим местом, потому что аддитивные технологии на слуху в последние годы. Но от общих мест, от общих положений до конкретной реализации еще довольно далеко, и это обозначает путь, который можно пройти. Идти по этому пути интересно, и на этом пути тех, кто по нему пойдет, ждут не только приключения духа, но и интересные, опять же жизненные поражения и победы.

С чего можно начать в области аддитивных технологий? Сейчас основной из аддитивных технологий, использующихся человечеством, является технология послойного выращивания. Материал для этих технологий приготавливается в виде порошков. Потом из этих порошков создаются тонкие слои, в тонких слоях, там, где нужно, материал расплавляется либо просто нагревается, чтобы новый слой приплавился либо припекся к старому. Потом обработанный слой покрывается новым слоем порошка, и процесс повторяется. Так работают хорошо известные машины по технологиям SLS или SLM, и практически всё, что сейчас имеется в виду под аддитивными технологиями, относится к этим двум технологиям. И всё вроде бы неплохо. Действительно, таким образом можно выращивать изделия почти произвольной формы с очень высокой точностью, в реальности не уступающей точности механической обработки, из достаточно широкого спектра материалов. Но на пути реального промышленного применения встают две вещи. Вещь первая — это низкая производительность послойных технологий.

В реальности производительность машин для послойного выращивания ограничена десятками, редко — сотнями грамм в час. В принципе приемлемо, если, конечно, не нужно создать изделие весом 200 килограмм, например любимую нами среднюю опору газотурбинного двигателя. Тогда получается, что срок производства этой опоры по технологии послойного выращивания составит примерно 600 часов. Вряд ли кто-то способен выждать столько времени, и вряд ли можно обеспечить непрерывную работу технологической установки на протяжении 600 часов. Второй момент — то, что эта опора является изделием диаметром примерно два метра, таких послойных машин просто нет. Невозможно такую точную механику, которая нужна для этих послойных машин, в таком масштабе организовать. А вторая причина, которая является проблемной при внедрении аддитивных технологий, — это качество материала, которое при послойном выращивании получается. Дело в том, что эти порошинки, из которых состоит слой, довольно здорово ослабляют лазерное излучение, использующееся для оплавления порошка в слое, и получается так, что температура верхних порошинок и температура нижних различается. И если мы хотим с гарантией расплавить низ, то мы должны перегреть верх. А если мы не хотим вскипятить верх (а кипение на поверхности — это разбрызгивание и формирование дефектов), то мы низ должны недоплавить. В итоге у нас получаются поры.

Поры — это внутренне присущий всем послойным технологиям дефект. С ними можно бороться, их можно устранять последующим изостатическим прессованием — это когда изделие помещается на долгое время в горячую газовую камеру с очень высоким давлением. Поры таким образом медленно пластически залечиваются. Но технология крайне дорогая, а все-таки реальная промышленность состоит из двух вещей: наполовину, конечно, из техники, а наполовину из экономики, и всё должно быть дешевым. На фоне этих сложностей существует еще одна аддитивная технология.

Технология, которую мы называем прямым лазерным выращиванием, которая свободна от очень многих недостатков послойных технологий. Что это такое? Это технология, основанная на подаче порошка в зону выращивания с помощью газопорошковой струи, специальным образом сформированной в пространстве. Поток газа несет частички порошка. Этот поток газа должен быть правильно организован в пространстве, а плотность частичек порошка должна быть правильно организована внутри этой струи. Не так просто такую струю, которая нужна для выращивания, сделать. Но если такую струю сформировать и направить либо вдоль этой струи, либо под углом к ней сфокусированное лазерное излучение, то мы получаем возможность нагревать и частично оплавлять частички порошка в струе. Тогда, попадая на мишень, в ту зону, где выращивается изделие, эти частички сплавляются друг с другом, но почти от каждой частички остается одно маленькое твердое ядрышко, играющее крайне важную роль.

Дело в том, что эти нерасплавившиеся остатки порошинок становятся центрами новой кристаллизации. В таком случае кристаллизация расплава идет не от поверхности, на которой лежит расплав, а из объема. Объемная кристаллизация при прямом лазерном выращивании — это залог получения мелкозернистой структуры металла. А мелкозернистая структура металла позволяет получать механические свойства выращенных таким образом изделий практически на уровне проката или покова в зависимости от материала, чего никакие другие аддитивные технологии в реальности получить не позволяют, потому что послойная технология всё же обеспечивает структуру, близкую к структуре отливки или микроотливки. Это первый из больших плюсов технологии прямого выращивания. Почти нет проблем со структурой и свойствами выращиваемого материала.

Второй существенный момент — нет пространственных ограничений, потому что рабочим инструментом является технологическая головка, которая объединяет в себе две вещи: сопло для подачи газопорошковой струи и объектив, фокусирующий лазерное излучение. Но это небольшой и нетяжелый инструмент. Его можно дать, например, в руку роботу. И насколько хватит размаха у руки робота, настолько можно вырастить изделие (размах рук робота сейчас практически уже ничем не ограничен). Еще одно ограничение — это ограничение на внешнюю атмосферу. Всё же металл горячий, металл расплавленный. Хорошо бы защитить его от взаимодействия с активными газами. Но не существует больших проблем создать камеру, заполнить ее аргоном, и такие установки — робот с инструментом в руке, камера, заполненная аргоном, и система управления, — на мой взгляд, и являются сейчас самыми перспективными в аддитивных технологиях. Это уже даже не столько завтрашний день, сколько частично сегодняшний, они уже есть в металле. И третье, что для такой технологии замечательно, — она высокопроизводительна.

В реальности это скорости выращивания изделия, которые измеряются не в граммах в час, а в килограммах в час. Это значит, что тяжелое изделие можно сделать за смену-две, а это приведет к тому, что изменится структура нашего машиностроения. Технология уже готова к тому, чтобы потеснить технологии литья и резанья — не полностью вытеснить их, потому что ни одна технология не способна целиком заменить другие, все технологии у нас нишевые. Но использование прямого выращивания в промышленных объемах в таких же количествах, как используются сейчас обрабатывающие центры для фрезерной либо токарной обработки, позволит, по нашим оценкам, примерно в 10 раз поднять производительность изготовления металлических изделий и в 3–5 раз снизить их себестоимость. В реальности в масштабах промышленности это революция.

Она медленная, растянутая, наверное, на годы, может быть, не очень заметная, но она идет сейчас и будет иметь, скорее всего, не только технические, но и социальные последствия, потому что она приведет к изменению роли различных профессий, появлению новых и к значительному снижению спроса на старые. И она, так же как и другие аддитивные технологии (в этом она на них похожа), позволит превратить производственные машины в компьютерную периферию. Это то, что случилось когда-то с печатным делом, когда просто исчезли печатники как класс и гигантское количество людей было заменено маленькими компьютерными принтерами.

По-видимому, то же самое случится сейчас и с аддитивными технологиями. Но, безусловно, не только отрицательные последствия будет иметь внедрение этих технологий, потому что новые технологии потребуют новых материалов. Открывается гигантское поле для производителей материалов, для исследователей материалов, для создателей средств промышленной автоматизации, для тех, кто занимается техническим зрением и управлением производственными процессами. Сейчас у нас на глазах создается не просто новая отрасль промышленности, а практически новая сфера человеческой деятельности, и практически у всех есть реальный шанс поучаствовать в ее создании. Надеюсь, что мои слушатели, по крайней мере некоторые из них, воспользуются такой возможностью.

Фото: ПостНаука