В Южно-Уральском государственном университете уже несколько лет успешно функционирует «Лаборатория микропорошковых исследований» (НОЦ «Аэрокосмические технологии»).
Изначально задачи лаборатории были посвящены производству металлических порошков высокого качества, которые можно использовать в аддитивных технологиях. О разработках рассказывают Павел Лыков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории и Рустам Байтимеров инженер-исследователь лаборатории.
Аддитивные технологии (от англ. «add» – добавлять) – это технологии, при которых конечное изделие получается не в процессе удаления лишнего от большой «болванки», а напротив - в процессе наращивания материала. Их плюс в энергоэффективности и малоотходности. При этом есть возможность изготовления сложных деталей, с внутренними полостями. Такие детали не изготовить традиционными методами.
«“Всё новое - это хорошо забытое старое”. Первые шаги в изобретении и изучении металлических порошков в аддитивных технологиях за рубежом были сделаны давно. Говорят, что в СССР существовали подобные технологии. Например, наплавка. Если её немного модернизировать, то уже почти аддитивные технологии», – говорит Рустам Миндиахметович.
На первом этапе в лаборатории появились 2 запатентованные установки по получению металлических порошков, разработанные совместно с сотрудниками кафедры двигателей летательных аппаратов Алексеем Шульцем, Константином Бромером и Евгением Сафоновым. На этом оборудовании исследовалась технология распыления жидких металлов в газовых струях.
«Когда мы только начали заниматься исследованиями в области аддитивных технологий, мы ездили на стажировку в Национальную школу Сент-Этьена (Франция). Там познакомились с крупным ученым – профессором Игорем Смуровым. Он поделился с нами опытом, показал парк оборудования школы, рассказал о наиболее перспективных направлениях. Позже мы работали с профессором Смуровым по совместному гранту», – говорит Павел Лыков.
В лаборатории микропорошковых технологий представлена только одна аддитивная установка, которая относится к типу селективного лазерного сплавления. Это выращивание продукта слой за слоем из порошковых материалов.
«Она работает по такому принципу: 3D-модель детали разбивается на ряд 2D объектов, которые слой за слоем накладываются и сплавляются друг с другом. В каждом слое производится выборочное (селективное) плавление части порошка», – говорит Павел Александрович.
В процессе работы с установкой селективного лазерного сплавления появилось более глубокое понимания технологии, сопровождающей процесс взаимодействия лазера с металлическим микропорошком.
В ходе совместных работ с доктором физико-математических наук, профессором Александром Яловцом и использованием установки селективного лазерного сплавления, появилось более глубокое понимание процессов, сопровождающих взаимодействия лазера с металлическим микропорошком.
Изучив литературу и статьи других авторов по данному вопросу, ученые пришли к мысли, что аддитивные технологии и традиционные методы развиваются параллельно друг другу, и в лице традиционных методов изготовления металлических деталей (литья, фрезерования и т.д.) аддитивные технологии имеют очень сильных конкурентов. Павел и Рустам решили, что наиболее перспективное направление, которое позволяет уйти от конкурентов и отодвигает все остальные направления на второй план – это использование композиционных материалов.
«Добавление упрочняющей фазой делает материал износостойким, и, в этом случае, сточить с него лишнее – сложно. А если мы используем композиционные порошки, то можем делать суперсложные детали на основе композитов. У нас появляются широкие возможности: подбирая композиции, определенный металл и керамику, мы можем получать широкий спектр свойств, в зависимости от задач, которые необходимо решить производству», – говорит Павел Александрович.
Использовать в аддитивных технологиях смесь порошков нецелесообразно. Перед учеными встала задача: получить композиционный порошок высокого качества, пригодный для использования в аддитивных технологиях. Совместно с доктором технических наук, научным руководителем НОЦ «Нанотехнологии» Сергеем Сапожниковым была разработана технология модифицирования металлических микропорошков, включающая нанесение нанопорошка на поверхность металлического микропорошка. Исследование свойств полученного материала проводилась совместно с сотрудником НОЦ «Нанотехнологии» кандидатом химических наук Дмитрием Жеребцовым.
Исходный порошок Композитный порошок
«У зарубежных коллег есть большая проблема: почти все лаборатории такого типа закупают расходные материалы для исследований (микропорошки) по огромной цене. Мы же сами производим этот порошок! Пока нам хватает его для самообеспечения лаборатории», – говорит Рустам Байтимеров.
Дальше последовал новый этап – исследование использования композиционных материалов в аддитивных технологиях. Ученые говорят, что на тот момент не так много лабораторий в мире занималось данной проблематикой, а сейчас это направление одно из самых «модных» в мире. С одной стороны, это требует вложения больших финансовых средств, с другой - открывает большие возможности.
Ученые разных стран пытаются внедрить аддитивные технологии во многие отрасли. Аддитивные технологии – это уже «сегодняшний день» для медицины и авиастроения.
Например, корпорация Boeing сейчас занимается разработкой и внедрением в производство двигателя для самого большого пассажирского самолета. В нем есть детали, которые сделаны методом селективного лазерного сплавления. В медицине таким способом изготавливают зубные и костные импланты.
«Чтобы сделать человеку тазобедренный сустав или часть черепа, нужно изготовить конкретную индивидуальную деталь. Её делают после 3D сканирования. Экономически это не выгодно для традиционных методов. Аддитивные технологии позволяют занести 3D-модель в компьютер и через несколько часов получить готовое изделие. Можно создать имплант с пористой структурой, чтобы кость хорошо в него проросла», – говорит Павел Александрович.
Павел Александрович рассказывает, что уровень полученных результатов позволяет участвовать в международных конференциях и публиковать работы в зарубежных изданиях. За последние два года члены коллектива принимали участие в международных конференциях в Копенгагене, Бремене, Сингапуре, Детройте, Мюнхене. В июле 2017 года в рамках работы по президентскому гранту планируется поездка Рустама Байтимерова в Сеул.
Сейчас ученые ЮУрГУ формируют несколько заявок на гранты, для того, чтобы подготовить программу изготовления серии композиционных изделий на основе жаропрочных или цветных сплавов и керамической фазы. Их главная задача на ближайшее время: исследовать как меняется весь перечень механических свойств таких материалов. Исследователи надеются, что при получении хороших результатов, откроется новая перспектива внедрения этих композиционных изделий и технологий в аэрокосмическую отрасль.