Предприятия наращивают АП-компетенции

Аддитивные технологии стали неотъемлемой частью современной промышленной индустрии. Сегодняшние лидеры в этом направлении – США, Япония, Германия, Китай. Доля же России в мировом парке 3D-машин ничтожна – всего 1,4% рабочих аддитивных установок. Эксперты называют несколько основных причин нашего отставания в этом сегменте. Одна из них заключается в том, что промышленники не всегда понимают, для какого вида производства 3D-машины могут применяться, – отсутствует база данных по тем изделиям, которые имеет смысл производить аддитивными методами. Вторая – в высокой цене импортных и дефиците отечественных порошковых композиций. Третья причина – отсутствие четкой законодательной опоры в этом сегменте – стандартов, системы сертификации и т.д.

Пути решения этих проблем активно обсуждались в конце апреля в ходе научно-практической конференции «Перспективы развития аддитивных производственных процессов в российской промышленности», проводимой под эгидой Минпромторга РФ и АО «Станкопром». В ее работе приняли участие около ста специалистов предприятий, НИИ и вузов авиационной, космической, автомобильной и других отраслей промышленности, работающих в области аддитивных технологий, а также представители федеральных органов исполнительной власти. Докладчики делились опытом в производстве 3D-принтеров, 3D-изделий и порошковых материалов для аддитивных технологий.

– В России существует целый ряд сложностей для полноценного развития аддитивных технологий, – отметил в своем приветственном слове первый заместитель генерального директора АО «Станкопром» Евгений Полканов. – Для объединения усилий по реализации мероприятий, направленных на продвижение аддитивных технологий в отечественных отраслях промышленности, необходима разработка специальной подпрограммы по развитию аддитивных технологий в рамках государственной программы РФ «Производство средств производства».

«Станкопром» представил целый ряд примеров высокотехнологичных изделий, в создании которых активно используются аддитивные технологии. Пожалуй, самым ярким из них является новейший авиадвигатель LEAP, разрабатываемый совместно General Electric Aviation и Snecma. Двигатель будет впервые оснащен топливными форсунками, изготавливаемыми методом послойного синтеза из порошкового сплава Co-Cr (кобальт-хром). Вместо 20 сваренных деталей будет изготавливаться одна, на 25% легче и в 5 раз прочнее.

В 2014 году компания SpaceX успешно испытала двигатель малой тяги с камерой сгорания, изготовленной методом лазерного спекания металлов, для разрабатываемого космического корабля Dragon V2.

 

«АДДИТИВНАЯ ДОЛИНА» В ВОРОНЕЖЕ

Борис СаламахинГенеральный директор ОАО «Центр технологической компетенции аддитивных технологий» Борис Саламахин рассказал о созданном в 2014 году 3D-кластере. Он уже активно работает со многими производствами и университетами. Для производства изделий из пластмассовых порошков, в частности, для послойного лазерного спекания изделий из термопластиков в центре используются установки EOS P395. Установки послойного синтеза Connex500 позволяют нанести послойно комбинацию из двух фотополимерных материалов с различными свойствами и далее полимеризовать каждый нанесенный слой освещением ультрафиолетовой лампы.

– На данный момент, – пояснил Борис Саламахин, – мы уже отработали ряд технологий производства из металлических порошков. Мы делаем изделия из нержавеющей стали, инструментальной стали и сплава кобальт-хром, благодаря машинам PRO X 300. Установки PRO X 100 позволяют спекать электрокорунд, муллит, оксид циркония и другие керамические порошки методом твердофазного синтеза. С порошками сегодня проблема, ведь качество изделия напрямую зависит от качества материала. Все лучшие машины работают в основном на импортных порошках. Есть разработки и в России. Порошки, которые предлагаются в нашей стране, неплохие по порционному составу, но, к сожалению, цена на них очень высокая и покупать материал от 20 000 рублей за упаковку для исследований и производства различных образцов довольно накладно. На данный момент проще и дешевле закупать металлические порошки за рубежом. Мы готовы активно осваивать аддитивные технологии спекания с отечественными порошками из металла, но надо либо выделить на эти цели дополнительные средства, либо сделать отечественные порошки дешевле. С полимерными порошками еще сложнее, отечественных аналогов просто нет. Полиамид и полистирол продаются в Европе и стоят от 1800 евро за 20 килограмм.

 

СЕЛЕКТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ И КОАКСИАЛЬНАЯ ЛАЗЕРНАЯ НАПЛАВКА – САМЫЕ ПОПУЛЯРНЫЕ АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Татьяна ТарасоваЗаведующая кафедрой ВТО МГТУ «Станкин» Татьяна Тарасова рассказала о наиболее распространенных способах АП, а также поделилась опытом университета в освоении 3D-технологий:

– Европейская классификация различает семь способов аддитивного производства. Фотополимеризация в ванной – когда жидкий фотополимер в емкости выборочно затвердевает с помощью светоактивируемой полимеризации. Вытеснение материала – способ, при котором материал выборочно проталкивается через сопло или отверстие. Струйное нанесение материала предполагает выборочное нанесение капелек строительного материала. Струйное нанесение связующего вещества – данный способ не может обходиться без жидкого агента, выборочно наносимого на порошковый материал. Листы материала связываются вместе для формирования объекта при методе «листовое наслоение». Два последних аддитивных способа развиваются наиболее интенсивно. Еще способ – расплавление порошка в заранее сформированном слое или селективное лазерное, плазменное, электронно-лучевое сплавление или спекание. С его помощью тепловая энергия выборочно расплавляет области в порошковом слое. Электронный луч используется реже, чем лазерный. Наконец, осаждение при прямом подводе энергии или коаксиальная лазерная наплавка. Газопорошковый поток подается в зону воздействия лазерного излучения симметрично со всех сторон – сжимающимся в фокус конусом. Это универсальный способ создания как однородных, так и композитных покрытий на плоских и трехмерных поверхностях.

Коаксиальная лазерная наплавка

Чтобы активно внедрять аддитивные технологии в производство, нужно активно проводить научно-исследовательские разработки. Использовать различное оборудование и для испытания порошков, и для анализа самого технологического процесса АП, и для контроля качества. В нашей лаборатории есть целый комплекс оборудования и собственные разработки в коаксиальной наплавке и в селективном лазерном плавлении, в том числе по изготовлению изделий из нескольких материалов. Мы провели ряд испытаний, в частности, сравнили готовые изделия по степени абразивного изнашивания, и оказалось, что интенсивность изнашивания у образцов после селективного лазерного плавления в 1,5 – 1,7 раза ниже, нежели у литого сплава-аналога. Более того, интенсивность изнашивания для СЛП-образцов практически не зависит от последующей термообработки. Благодаря вакуумной камере на СЛП принтерах можно создавать изделия не только из кобальта и хрома, но и из сплавов титана. На нашем оборудовании мы создали несколько изделий из коррозионностойкой стали 12Х18Н9Т и титанового сплава Ti6Al4V. Также мы сравнили преимущества использования электронного и лазерного лучей. Использование электронного луча позволяет существенно повысить производительность особенно при создании габаритных деталей. Однако при использовании электронного луча трудно обеспечить необходимую толщину стенки, как при лазерном луче. К тому же выше шероховатость. На нашем оборудовании мы создали несколько изделий из коррозионностойкой стали 12Х18Н9Т и титанового сплава Ti6Al4V.

Максим ОдноблюдовПодходами к аддитивным технологиям на примере своего учебного заведения поделился коммерческий директор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Максим Одноблюдов:

– Университет продвигает оборудование для гетерофазной порошковой лазерной металлургии, данный тип обработки относится к селективному методу лазерного плавления, т.к. порошок вместе с газом подается сбоку на лазерный луч некоаксиально. Однако ключевое слово здесь «гетерофазный». При данном способе происходит частичное оплавление порошкового материала. Температура плавления регулируется, и таким образом мы можем влиять на свойства конечных изделий. Мы предлагаем три типа оборудования. Первый – некоаксиальная подача со сканированием. Производительность такого оборудования самая большая – до 18 кг/ч, при минимальной толщине стенки от 0,1 мм. Второй тип – это некоаксиальная подача сфокусированной газопорошковой струей. Производительность оборудования будет ниже – до 5 кг/ч, но при этом толщину стенки также можно уменьшить до 0,05 мм. И, наконец, самое непроизводительное и при этом самое точное оборудование с коаксиальной подачей сфокусированной струи, производительностью до 2 кг/ч и минимальной толщиной стенки до 0,01 мм. Наш институт провел сравнение технологий для типового изделия, используемого в компаниях, входящих в ОДК. И оказалось, что гетерофазный способ производства в 5,5 раза дешевле, чем сварная конструкция, и в 2,5 раза дешевле, чем литая деталь. В 30 и соответственно в 13,5 раза снижается трудоемкость изготовления детали. Значительно уменьшается вес изделия, при этом стоимость материала для гетерофазного производства гораздо выше, нежели при литье или при сварке. Изделие, получаемое аддитивным способом, имеет меньше пор или вовсе их не имеет, а его прочностные характеристики приближаются к кованым изделиям. Изучив конструкции лазерной головы и устройства подачи порошка, мы создали свою конструкцию сопла и лазерной головы, которая обеспечивает латеральную подачу порошковой смеси и одновременно контролируемый нагрев. При этом удалось получить баланс между эффективностью наплавки и расходом порошка, между свойством изделия и производительностью машины. Также мы работаем над способом получения недорогих порошковых материалов. И самым рентабельным и эффективным нам видится распыление проволоки и различных металлических прутков плазмой. Процесс диспергирования плазменной струей имеет ряд преимуществ. Это и относительная простота применяемого оборудования, и широкий диапазон параметров, и стабильность процесса, и легкость перенастройки, и возможность распыления тугоплавких материалов и материалов с особыми свойствами. В своей лаборатории мы получили сферические гранулы стали 08Х18Н10Т фракцией от 20 до 100 мкм.

 

ПОРОШКИ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ СТАБИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Александр ЕвгеновО производстве отечественных порошков для селективного лазерного плавления из жаропрочных сплавов рассказал начальник лаборатории аддитивных технологий ФГУП «ВИАМ» Александр Евгенов:

– Мы создали аддитивное производство полного цикла. Все начинается с производства шихтовых заготовок «VIM-150» и заготовок под распыление «VIM-12», далее создаются порошковые композиции методом атомизации. После этого порошки рассеиваются и проходят газодинамическую сепарацию. Спеканию порошков предшествует создание 3D-модели. А для придания дополнительных прочностных характеристик изделия подвергаются горячему изостатическому прессованию и термической обработке. Выплавляем детали от 10 кг до тонны. Основные материалы для нашего аддитивного производства – это сплавы на основе алюминия, стали, а в последнее время мы делаем акцент на жаропрочных сплавах, потому что изделия из них можно использовать при создании различных силовых кронштейнов и других несущих деталях. В составе консорциума, в который также входят ФГАОУ ВО НИУ «СПбГПУ», ИПЛИТ РАН, работаем над созданием металлических порошков жаропрочных сплавов на основе никеля. Сплав ВЖ159 по жаростойкости в шесть раз превосходит другой жаростойкий и хорошо известный сплав ВК648, которому в прошлом году исполнилось 45 лет. Этот сплав применялся практически на всех двигателях. Хорошо известные литейные сплавы ЖС6К и ВЖЛ12У, они примечательны тем, что они не свариваются, в отличие от западных материалов. И мы хотим изучить их свойства в селективном лазерном плавлении. Жаропрочный сплав ВКНА-1ВР на основе интерметаллида Ni3A, его разработка в таком синтезированном виде очень оправдана с точки зрения проблем в производстве поликристаллического литья из этого сплава, литые аналоги склонны к проявлению карбидов, неблагоприятной морфологии и довольно нестабильному сходству. Диспергентная структура, получаемая при селективном лазерном плавлении, позволит перейти на новый уровень и получать детали более прогнозируемые и стабильные. Большое влияние на качество готового изделия оказывает сыпучесть порошка. Так, в процессе селективного плавления плохая текучесть не позволит нанести монослой должным образом.

 

ОДИН ЛАЗЕР – ХОРОШО, НО ТРИ – ЛУЧШЕ

Начальник конструкторского отдела по проектированию аддитивного технологического оборудования ОАО «НИАТ» Алексей Назаров предложил способы по увеличению производительности 3D-машин:

– Основной недостаток метода селективного лазерного плавления – это низкая производительность (10-30 см3/час) и ограничение производственной зоны. Для повышения производительности можно использовать несколько лазеров, работающих параллельно. Также можно использовать мощные лазеры с более широким пятном лазера, но этот способ не подходит для создания тонких и исключительно точных изделий. Третий способ – применение нескольких лазеров с разной мощностью и разным пятном, чтобы обрабатывать одновременно и тонкие внутренние участки и наружные площади, не требующие исключительной точности. В частности, на нашем автоматизированном высокопроизводительном технологическом комплексе селективного лазерного плавления ТКСЛП 750 с многолазерной системой сканирования можно применять различные варианты компоновки сканаторов и лазерной головы.

 

ВСЕ НОВОЕ – ХОРОШО ЗАБЫТОЕ СТАРОЕ

Виктор КонстантиновГенеральный директор ОАО «Электромеханика» Виктор Константинов рассказал о технологии производства металлических гранул PREP и о технологических предшественниках аддитивных способов производства, созданных еще в СССР:

– В 1976 была создана первая установка центробежного распыления и получения гранул. Первые гранулы были размером 250 мкм. И практически с этого момента началось промышленное изготовление гранул методом PREP нужд металлургии, а по сути это тот же способ центробежного распылению электрода плазмой. Говоря об аддитивных технологиях, мы напрасно обходим технологии МИМ (методы инжекционного формования) и ГИП (горячего изостатического прессования). В Италии и Китае до 40% деталей производится по МИМ-технологиям. А ГИП – основа всех аддитивных технологий, по сути, это первые 3D-технологии, которые применялись еще в СССР. Благодаря ГИП-технологии можно получать детали быстрее, чем нынешними аддитивными способами. Порошки применяются во многих отраслях, но сегодня мало внимания уделяется порошковому покрытию с учетом имплантации поверхностей. Аддитивные технологии и технологии гранульной металлургии можно рассматривать в доступном промышленном производстве. В Европе есть альтернатива PREP/центробежному распылению электрода плазмой, это так называемое распыление электрода газом. Но способ значительно уступает установке PREP и по качеству, и по производительности. Такая установка производит порошковый материал до 120 кг/час. На наших PREP разработках можно получить разнообразный фракционный состав в зависимости от задачи. Что касается титановых сплавов, то реально получать размеры от 10 до 50 мкм. При газовом способе вероятны различные включения в гранулы, да и морфология порошка неоднородна. Что касается центробежного распыления, то мы работаем изначально с заготовкой, на торце есть пленка толщиной порядка 20 мкм, и за счет центробежных сил она устремляется к периферии, где образуется гранула. Мы вращаем гранулу не в одной плоскости торца, а за счет мениска кратера, который существует на конце заготовки. Вращение гранулы происходит во всех трех плоскостях. На сегодняшний момент переработана концепция полностью и основные узлы установок центробежного распыления, изменен блок приводов. Блок позволяет подать заготовку до 25000 оборотов в секунду, и таким образом, используя автоматическое отслеживание зазора плазмотрона и заготовки, мы в состоянии контролировать область получения фракций. Я участвовал в создании порошка 1,5 мкм для атомной промышленности от радиационной защиты, и на этой же установке через день мы получали порошки в 50-70 мкм.

Плазмотрон для диспергирования проволоки плазменной струей

Всего в рамках программы конференции было обсуждено 18 научно-технических докладов по вопросам перспектив дальнейшего развития, имеющегося опыта по разработке и реализации технологий послойного синтеза изделий, в том числе по вопросам необходимости координации процессов развития аддитивных технологий в промышленности России. Конференция наглядно продемонстрировала имеющийся потенциал ведущих отечественных компаний в области освоения и развития аддитивных технологий.

Версия для печати
Авторы: Павел КИРИЛЛОВ
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: