В лабораториях Санкт-Петербургского политехнического университета роботы слой за слоем напыляют металлическую заготовку, а управляют ими студенты и преподаватели вуза. 

Сегодня целый ряд сложных металлических деталей для космоса, медицины, авиации, машино- и судостроения печатают на таких принтерах. Но если за рубежом подобные инновации в промышленности успешно применяют уже более десяти лет, то российские разработки по данной тематике вышли на рынок в последние 3 - 4 года. Судя по тому, как активно развивается эта отрасль, не за горами время, когда отечественные специалисты и предприятия научатся «печатать» не только отдельные детали, но и целый автомобиль, самолет или турбину.

Трехмерный металл

Основа 3D-печати - аддитивные технологии (от англ. аdd - «добавлять»), в которых используется метод послойного лазерного плавления. То есть деталь создается не путем механического отсечения лишнего, а методом наращивания - послойного добавления одного или нескольких материалов и их лазерного сплавления по заданному контуру.

Начиналось все с разработок по стереолитографии (изготовление моделей из жидких фотополимерных смол), затем ученые начали экспериментировать с металлом. Неоспоримый плюс аддитивной технологии - возможность выпускать изделия сложной геометрии и формы, что невозможно делать посредством механообработки или литья. При этом напечатанные изделия получаются более точными и прочными, чем их аналоги, изготовленные традиционными способами.

Более того: на 3D-принтерах можно печатать детали с элементами бионического дизайна. Речь идет о структурах, приближенных к материалам живой природы, - ячеистых, пористых и сетчатых конструкциях, которые создать из металла методом фрезерования нереально. За счет подобных структур деталь получается облегченной, сохраняя свои прочностные свойства, что очень ценится в таких областях, как авиация или медицина. Например, аддитивные технологии позволяют напечатать модель человеческой кости точь-в-точь, как у пациента, для создания протеза.

Важно, что «выращенное» в принтере металлическое изделие является законченным. Если ему и требуется механическая обработка, то незначительная. Кроме того, использование принтера существенно экономит сырье, минимальные излишки которого при «выращивании» детали можно использовать повторно.

В результате подобные технологии значительно удешевляют производство сложнопрофильных деталей. Это доказывают финансовые отчеты таких известных компаний, как General Electric, Mitsubishi, Boeing, General Motors, которые используют в производственном процессе 3D-печать уже несколько лет.

От «нано» к «гиго»

Увидеть 3D-принтер, печатающий металлические детали, автору этих строк удалось в Москве в Институте технологии поверхностей и наноматериалов Государственного научного центра РФ ЦНИИТМАШ. На этой площадке госкорпорация «Росатом» представила головной образец промышленной установки 3D-принтера для металлических изделий - Melt Master 3D 550. Устройство и программное обеспечение для него - полностью отечественная разработка.

«Сегодня из оборудования такого класса представленный образец - один из самых больших по размеру печати - 550 x 450 x 450 мм», - пояснил заместитель директора этого института Евгений Третьяков.

У простого обывателя данный агрегат вызовет ассоциации с огромной духовкой. И логика в таком сравнении есть, ведь платформа, на которой происходит печать, подогревается до 200 градусов по Цельсию. Процесс происходит в герметичной камере, где создается инертная атмосфера (чтобы материал при плавлении не окислился). Нержавейка печатается в среде азота, реактивные материалы - в среде аргона. Скорость построения печати - от 15 до 70 куб. см в час.

Самая сложная и дорогая часть оборудования - элементы, связанные с лазерно-оптической системой. Машина, которую демонстрирует Евгений Третьяков, однолазерная. За один рабочий сеанс аппарат умеет работать только с одним типом порошка. По соседству с ним стоит модернизированная разработка - принтер, оснащенный двумя лазерами. Этот принтер сможет работать одновременно с двумя порошками, что позволит создавать комбинированные изделия: часть из одного металла, часть - из другого. В перспективе - создание четырехлазерных принтеров, способных работать с несколькими видами металлических порошков, но таковых в мире еще нет.

Стоимость российского агрегата - около 50 млн рублей, цена импортного аналога вдвое выше. До 2021 года отечественные заводы выразили готовность закупить 15 подобных машин. В планах Росатома вывести этот высокотехнологичный продукт на мировой рынок.

Просто добавь порошок

В зависимости от того, что нужно изготовить на 3D-принтере и какой точности добиться, в качестве исходного сырья используются мелкодисперсные металлические порошки на основе железа, титана, алюминия, никеля, кобальта и т. д.

«Эти порошки должны отвечать определенным требованиям по сферичности и сыпучести, чтобы частицы могли компактно укладываться в заданный объем и обеспечивали текучесть. Это необходимо, чтобы при печати получались равномерные слои, - объяснил Третьяков. - Чем меньше частицы, тем меньший шаг построения может быть задан и тем рельефнее будут проработаны мелкие элементы».

Сколько все это стоит? Килограмм титанового порошка обойдется в 35 - 40 тысяч рублей, а порошок из нержавеющей стали - 3,5 - 4 тысячи рублей за кило.

«Мы пока работаем с порошками импортного производства, - резюмировал заместитель директора института. - Однако необходимые порошки уже начали выпускать и в России, поэтому в перспективе зависимости от расходных материалов у нас не будет».

Свою лепту в развитие аддитивных технологий вносит и северная столица. В этой сфере с 2014 года в нашем городе работает компания 3DSLA. Ее специалисты одними из первых в России стали разрабатывать и выпускать серийные промышленные 3D-принтеры по металлу.

Еще одна петербургская компания - «ЛАР Технологии» - также выпускает линейку 3D-принтеров по металлу для крупных промышленных фирм. Кроме того, предприятие спроектировало 3D-принтер по металлу, доступный представителям малого и среднего бизнеса. Важно, что в большинстве случаев отечественные 3D-принтеры на 90% собираются из российских деталей.

В целом парк промышленных аддитивных установок в нашей стране оценивается в 700 единиц, и только 60 установок рассчитаны на выпуск продукции из металлических порошков. Главными потребителями аддитивных технологий являются крупные корпорации - «Роскосмос», «Ростех», «Росатом» и ведущие промышленные компании.

КСТАТИ

Мировой рынок 3D-печати составляет 5 млрд долларов. По прогнозам экспертов, к 2020 году этот показатель увеличится до 15 млрд долларов, а к 2035-му - до 350 млрд долларов.

ФОТО Александра НИКОЛАЕВА/ИНТЕРПРЕСС

Источник