Аддитивные технологии уже прошли тот этап в своем развитии, когда они использовались только для изготовления опытных образцов изделий. Все чаще они применяются для серийного производства. Если говорить о 3D-печати металлами, то получающиеся в итоге детали по прочности и многим другим параметрам часто превосходят аналоги, изготавливаемые традиционным способом. Но для 3D-печати необходимы сплавы с особыми свойствами.

С одной стороны, перед металлургами стоит задача создания сплавов, пригодных для 3D-печати, которые по своим свойствам соответствовали бы привычным для конструкторов сплавам, применяемым в традиционных процессах обработки. В частности, это позволяет изготавливать запасные части для техники, которые невозможно из-за санкций получить от официального производителя. С другой стороны, аддитивные технологии открывают новые возможности, неведомые для ранее использовавшихся способов обработки. И для этого нужно создавать принципиально новые сплавы, которые уже не имеют аналогов в прошлом.

Формы выпуска

Наиболее распространенными технологиями 3D-печати металлом сейчас являются SLM, SLS, EBM, DMD, MBJ. Все перечисленные технологии работают с металлическими порошками.

Порошки для всех вариантов 3D-печати обязательно должны обладать следующим набором параметров:

— сферическая форма частиц, что необходимо для равномерного распределения порошка в системе подачи материала;

— хорошая текучесть, благодаря чему порошок легко распределяется по платформе построения;

— соответствие фракционного состава (по диаметру частиц) требованиям, которые предъявляет производитель принтера.

Технология SLM предусматривает селективное сплавление металла лазером. Результатом печати является монолитный предмет (рис. 1). В этой технологии используются однородные металлические порошки. Возможно применение некоторых материалов, которые изначально разрабатывались для порошковой металлургии, а не для 3D-печати.

Рис. 1. Примеры изделий, изготовленных по технологии SLM из нержавеющей стали

SLS — селективное лазерное спекание. Использование однородного порошка возможно только для легкоплавких металлов. Обычно в 3D-принтер загружается порошок, представляющий собой смесь частиц основного металла и частиц легкоплавкого металла, которые выполняют связующую функцию. SLS-принтер дешевле, чем SLM, но получаемые детали характеризуются более высоким уровнем пористости.

EBM — это технология, при которой частицы металла селективно сплавляются потоком электронов. Порошок однородный, как и при SLM, но возможна работа с порошками более тугоплавких металлов.

DMD — прямое лазерное выращивание. Процесс заключается в послойном наплавлении с использованием лазера. Особенностью является быстрое охлаждение металла, что для некоторых сплавов может приводить к деформации и даже растрескиванию. Поэтому применительно к DMD лучше использовать специально предназначенные для этой технологии металлические порошки.

MBJ — нанесение связующего материала на слой однородного металлического порошка. Из полученной заготовки посредством нагрева потом удаляют связующий материал, затем заготовка отправляется в печь, где металлические частицы спекаются. Преимущества — 

высокая скорость и относительно низкие требования к качеству металлического порошка. Недостаток — усадка деталей при обработке в печи. Для некоторых сплавов, в основном тугоплавких, данная технология не подходит.

Проволока применяется для 3D-печати крупных объектов. Она позволяет повысить скорость изготовления детали по сравнению с использованием порошков. Наиболее известны две такие технологии. WAAM — послойное наплавление металла посредством дуговой сварки в атмосфере инертного газа. EBAM — разновидность технологии EBM, но вместо порошка используется проволока.

Стоимость 1 кг проволоки для 3D-печати может быть на порядок меньше, чем стоимость 1 кг порошка из того же металла. В 3D-печати, даже если применяется технология WAAM, не всегда можно использовать проволоку для обычной сварки, предпочтительно использовать проволоку для наплавки.

Недостатком 3D-печати металлом с использованием проволоки является более сложная и громоздкая конструкция принтера. К тому же в результате печати получается заготовка, требующая дополнительной механической обработки. Именно по этой причине 3D-принтеры, работающие с проволокой, пока не получили широкого распространения, занимая лишь определенную нишу на рынке.

Недавно появилась технология μ-­WAAM, в которой диаметр проволоки составляет 0,25 мм (в обычной WAAM используется проволока толщиной 0,6–2 мм). Эта технология позволяет уменьшить размеры 3D-принтера и упростить его обслуживание. Но пока принтеры на основе μ-­WAAM серийно не производятся.

FDM-печать металлом

Самым распространенным типом 3D-принтеров являются FDM, из-за низкой цены и простоты использования они широко используются в быту. Принцип работы таких устройств заключается в изготовлении предметов посредством послойного наплавления пластика.

Недавно был предложен способ печатать металлом на таких принтерах. В пластиковый филамент добавляются частицы металла, но в большей концентрации, чем это нужно для декоративного эффекта. Данным материалом печатается заготовка, потом она помещается в растворитель, который удаляет пластик. Затем обработанная таким образом заготовка помещается в печь, где происходит спекание. Китайские производители уже наладили выпуск филаментов, реализующих FDM- печать металлом.

Отдаленно напоминает технологию MBJ, тем не менее концентрация частиц металла в заготовке оказывается меньше. В итоге получаем сложно предсказуемую усадку изделия при спекании, а также меньшую прочность по сравнению с MBJ. По мнению автора статьи, FDM-печать металлом на данном этапе своего развития может использоваться только для любительского применения. Далее в обзоре мы ее рассматривать не будем.

Алюминиевые сплавы

До недавнего времени основным сплавом, который использовался для 3D-печати алюминием, был PC‑300. Если сравнивать со сплавами для литья, то ближайшим аналогом является силумин со всеми его преимуществами и недостатками. Детали, которые должны выдерживать высокие температуры, печатали алюминиевым сплавом РС‑390, выдерживающим температуру до +250 °C.

Сейчас российская компания «РУСАЛ» продвигает на рынок новую линейку сплавов, специально предназначенных для 3D-печати (рис. 2). Их ассортимент позволяет закрыть основные потребности отраслей, где используется 3D-печать алюминием.

РС‑320 — прочный сплав, оптимизированный для SLS.

РС‑390 — сплав, выдерживающий температуру до +350 °C, оптимизирован для SLS.

РС‑355 — сплав с пониженным коэффициентом температурного расширения. Не склонен к образованию температурных трещин, поэтому, по оценке автора статьи, пригоден для DMD.

PC‑333 — отличительной особенностью данного сплава является повышенная теплопроводность. Предназначен для 3D-печати радиаторов теплоотводов.

Разработан сплав РС‑553 с добавлением скандия, что придает материалу повышенную прочность и устойчивость к образованию температурных трещин.

В НИТУ МИСИС создан инновационный сплав для 3D-печати, отличающийся высокой прочностью. В основе его силумин, который легировали наночастицами карбида вольфрама.

Ученые Массачусетского технологического института создали алюминиевый сплав для 3D-печати, способный выдерживать температуру +400 °C на протяжении 

восьми часов. Его состав был разработан с применением искусственного интеллекта. Предполагается, что новый материал станет альтернативой титану в авиации и некоторых других применениях. Алюминий не только дешевле титана, но и примерно на 40% его легче. При этом удельная теплопроводность титана на порядок меньше, чем у алюминия.

Рис. 2. Алюминиевый порошок для 3D-печати производства компании «РУСАЛ» и изготовленный из него кронштейн

Сплавы на основе меди

Существуют так называемые дисперсионно-­твердеющие сплавы, высокая прочность которых определяется особой структурой расположения наночастиц. Но не все из них пригодны для 3D-печати. Исследования показали, что дисперсионно-­твердеющий сплав CuNi2SiCr на основе меди с добавлением никеля, кремния и хрома оптимально подходит для аддитивных технологий. Прочность этого сплава намного выше, чем у чистой меди, при этом он обладает хорошей электропроводностью и отличными показателями по теплопроводности. Этот сплав все чаще используется в 3D-печати по технологии SLM для производства деталей, сочетающих в себе перечисленные свой­ства. Например, он подходит для изготовления контактов электрических переключателей большой мощности.

Если же нужна еще большая электропроводность, то для 3D-печати приспособили сплав меди, хрома и циркония C18150, ранее использовавшийся главным образом для изготовления сварочных электродов. Проводимость сплава C18150 достигает 90% от проводимости электротехнической меди при более высокой прочности. Оптимальной технологией 3D-печати для этого сплава является MBJ.

Избавление от ванадия

Чистый титан не используется для 3D-печати из-за низкой прочности. Наиболее распространенным титановым сплавом для аддитивных технологий является Ti‑6Al‑4V. Известны и другие титановые сплавы для 3D-печати (например, TA15), но всех их объединяет наличие в составе ванадия. Этот компонент значительно увеличивает стоимость сплава. Материал благодаря ванадию становится прочнее, но механическая прочность неравномерна в разных направлениях.

Ученые из Мельбурнского технологического университета (Австралия) создали новый сплав на основе титана, в который не входит ванадий. Новый материал имеет более высокую прочность, чем Ti‑6Al‑4V, и при этом значительно его дешевле. Формула инновационного сплава Ti-­O-Fe, т. е. в него входят титан, кислород и железо. При производстве сплава титан легируется небольшим (0,71%) количеством оксида железа Fe2O3. Добавка изменяет структуру материала, делая его более прочным.

Магнитомягкие материалы

Тем не менее есть применение 3D-печати, где избежать использования ванадия пока не удается. Речь идет о печати магнитомягкими материалами.

Трансформаторы — вид электронных компонентов, который чаще всего производится мелкими партиями по индивидуальным спецификациям под заказ. Вполне логично использовать здесь 3D-печать, в частности, для изготовления сердечников.

Материалы, из которых производятся сердечники трансформаторов, относятся к категории магнитомягких. Отличительная особенность — они обладают свой­ствами ферромагнетика или ферримагнетика, причем их коэрцитивная сила по индукции составляет не более 4 кА/м. Они имеют высокую магнитную проницаемость, а также малые потери на гистерезис, из-за чего и нашли применение в трансформаторах.

Печать магнитомягкими материалами — новое направление в аддитивных технологиях. Для этого пригоден, например, сплав железа и кобальта. Но такой материал очень хрупкий и у него хорошая проводимость, что для сердечника трансформатора увеличивает потери на вихревые токи Фуко. Чтобы сделать сплав более прочным, в него добавляют 2% ванадия. Помимо увеличения прочности ванадий снижает проводимость до приемлемого значения. Печать осуществляется по технологии SLM или SLS. Напечатанную на принтере деталь подвергают термической обработке для получения определенной внутренней структуры. Сначала идет предварительная фаза отжига при + 700 °C в течение 2 часов, затем следует первичный отжиг при + 820 °C в течение 10 часов.

Сплав FeCoV представляет собой некий компромисс между характеристиками и возможностью использования в 3D-печати. Для изготовления сердечников трансформаторов традиционным способом используют более совершенные сплавы. Но изготовление трансформатора точно под особенности данного проекта позволяет в итоге обеспечить более высокие технические характеристики всей системы.

Производство материалов в России

Отечественные производители материалов для 3D-печати металлом приведены в таблице. В основном у нас производят металлические порошки. Обращает на себя внимание, что российские компании выпускают специально для 3D-печати проволокой только расходные материалы из титана.

Но в России выпускается проволока для наплавления, она используется для восстановления инструментов и деталей оборудования. Это тоже одна из разновидностей аддитивных технологий. Изготавливается данная проволока в основном из нержавеющей, жаропрочной или высокопрочной стали. Производит ее, например, ООО «Завод сварочных материалов». Теоретически проволока для наплавления может быть использована и для 3D-печати, в каждом конкретном случае вопрос о ее применении решают специалисты.

Выводы

3D-печать деталей из нержавеющей стали и особенно титана уже сейчас оказывается зачастую более выгодной, чем их изготовление традиционным способом. 

Не удивительно, что именно эти материалы для аддитивных технологий производятся на многих российских предприятиях.

В современных условиях помимо реверс-­инжиниринга у 3D-печати есть еще одна важная функция. Она восстанавливает производственные цепочки, разрушенные в предыдущие годы, например, в авиационной промышленности. Если восстанавливать производство, то уже на новой основе. Здесь важны сплавы на основе алюминия. И в нашей стране не только освоили их производство в виде порошков для 3D-печати, но еще и разрабатывают новые составы.

Гораздо реже встречаются отечественные производители порошков из медных сплавов. Порошки магнитомягких материалов специально для 3D-печати у нас пока не выпускают. Медь и сплав кобальта с железом по-настоящему будут востребованы, когда решат текущие проблемы импортозамещения и промышленность возьмется за инновационные проекты с высоким экспортным потенциалом. Главное, что для этих материалов уже имеются принтеры отечественного производства, которые сейчас работают с другими металлами. Да и установки, изготавливающие металлические частицы определенного размера, способны работать с несколькими материалами. Дело лишь за появлением спроса на 3D-печать принципиально новых продуктов. 

Автор: Алексей Васильев

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2026