Порошки избавляют от лишнего

Наука и технологии / Передовое производство В мире происходит бум аддитивных технологий, рынок растет на 27% ежегодно. Россия включается в новую технологическую гонку, и ведущую роль здесь играет Всероссийский институт авиационных материалов
Иллюстрация: КОНСТАНТИН БАТЫНКОВ

В настоящее время в качестве приоритетов технологического развития все больше выдвигаются так называемые новые перспективные технологии, основанные на широком применении новых материалов, информационных технологий и глубокой автоматизации производственных процессов. Для обозначения производств, где такие технологии применяются, используется понятие «передовое производство» (advanced manufacturing), введенное Национальной ассоциацией перспективных производственных технологий США (National Association of Advanced Manufacturing, NACFAM)*. Один из признаков такого производства, отличающих его от традиционного, — кастомизация, то есть возможность относительно простой перестройки производства, основанной на цифровых технологиях, для приспособления его к индивидуальным потребностям заказчиков.

К таким технологиям в первую очередь относятся композитные материалы, робототехника, которой была посвящена статья «На обочине нечеловеческого прогресса» (см. «Эксперт» № 47 за 2014 год), и аддитивные технологии, более известные как 3D-технологии, или 3D-принтинг. 3D-принтеры, позволяющие изготавливать из различных пластмасс разнообразные бытовые принадлежности, уже предлагаются для домашнего пользования. Герои известного американского сериала «Теория большого взрыва», физики и инженеры, забавляются тем, что печатают игрушки-автопортреты. Известно, что на таких принтерах уже печатают пистолеты, пока не боевые, а кому-то удалось даже напечатать автомобиль.

Но у этой технологии есть и другие, более впечатляющие возможности изготовления деталей из различных металлов, что позволяет во многих случаях отказаться от использования металлорежущего и кузнечно-прессового оборудования. О внимании к аддитивным технологиям со стороны российского правительства в интервью «Эксперту» говорил первый заместитель министра промышленности и торговли Российской Федерации Глеб Никитин (см. «Производительные силы, подъем!», «Эксперт» № 27 за 2014 год).

Состояние аддитивных технологий в России мы обсуждаем с генеральным директором Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ) академиком РАН Евгением Кабловым. И это не случайно. На днях министр промышленности и торговли Денис Мантуров предложил сформировать на базе ВИАМа специальный центр материаловедения. В его задачи будет входить консолидация инновационного потенциала в области материалов для всей отечественной промышленности, в том числе авиастроения. Одна из инновационных задач, которые сейчас решает ВИАМ, — аддитивные технологии.

 

Мы начали нашу беседу с вопроса:

— Чем аддитивные технологии отличаются от традиционных?

— Традиционные технологии являются, как говорят, вычитающими. Берется кусок материала, и лишнее путем деформации или механической обработки удаляются. Как сказал Огюст Роден вслед за Микеланджело, «я беру глыбу и отсекаю от нее все лишнее. И получается идеальная скульптура». При этом доля использования материала составляла в лучшем случае 50 процентов, а в некоторых видах обработки не более 20–30.

А аддитивны

Процесс изготовления порошков

 

Порошки классифицируют по условному диаметру частиц, подразделяя их на нанодисперсные с диаметром частиц менее 0,1 мкм, ультрадисперсные с диаметром 0,1–1,0 мкм, высокодисперсные от 1,0 до 10 мкм, мелкие от 10 до 40 мкм, средние от 40 до 250 мкм и крупные от 250 до 1000 мкм. Одним из параметров, характеризующих порошок, является величина d50 — средний диаметр частиц. Например, если d50 равно 40 мкм, это означает, что у 50% частиц порошка размер частиц меньше или равен 40 мкм. Чем больше частиц одного диаметра в партии порошка, тем лучше качество получаемых из него металлопорошковых композиций. Вот почему порошки после изготовления дополнительно сортируют по размерам частиц.

Общее требование к порошкам для AM-машин — сферическая форма частиц. Это связано, во-первых, с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. А во-вторых, с необходимостью обеспечить «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением.

Основными технологиями получения порошков для AM-машин, которые позволяют изготавливать порошки необходимого размера и обеспечивают выполнение этих требований, являются газовая атомизация, вакуумная атомизация и центробежная атомизация.

При газовой атомизации металл расплавляют в плавильной камере (обычно в вакууме или в инертной среде) и затем сливают в управляемом режиме через специальное устройство — распылитель, где производится разрушение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением.

Процесс вакуумной атомизации происходит за счет растворенного в расплаве газа. Суть его состоит в следующем. Атомайзер состоит из двух камер — плавильной и распылительной. В плавильной камере создают избыточное давление газа (водород, гелий, азот), который растворяется в расплаве. Во время атомизации металл под действием давления в плавильной камере поступает вверх к сопловому аппарату, выходящему в распылительную камеру, где создают вакуум. Возникающий перепад давления побуждает растворенный газ к выходу на поверхность капель расплава и «взрывает» капли изнутри, обеспечивая при этом сферическую форму и мелкодисперсную структуру порошка.

Наконец, технология центробежной атомизации предполагает распыление расплава, создаваемого электрической дугой между прутком материала и вольфрамовым электродом.

В ВИАМе занимаются технологией газовой атомизации, которая наиболее широко распространена в мире — свыше 90% производства металлопорошковых композиций.

Использование аддитивных технологий в разных областях экономики
Распределение АМ-машин по миру в процентах от общего числа
Два типа аддитивных технологий
Схема атомайзера