Аддитивные технологии в машиностроении08.04.2016 18:51

Инженер Глеб Туричин о новых способах выращивания материалов, технологиях обработки металлов и революции в масштабах промышленности

Удивительное дело, но вообще все забыли, что мы с вами живем в «железном» веке. И этот «железный» век, как бы ни говорили сейчас о новых материалах, которые придут на смену металлическим материалам, о новых принципах создания изделий, он в ближайшее время еще никуда не денется. А «железный» век это значит две вещи: это материал — металлы, и это технология обработки этих металлов. Длится этот «железный» век у нас с вами примерно три с половиной тысячи лет последних, и за все это время количество технологий обработки материала, оно не увеличилось. Они менялись, но как когда-то литейщики отливали наконечники стрел, так и до сих пор такие технологии, как литье очень широко используются в промышленности во всем мире. И эта промышленность сейчас построена в основном на технологиях литья и резанья. Сначала что-то отливается, потом это что-то режется, может быть, оно деформируется. Это так называемые, технологии вычитания. Но наверное, в последние десять-пятнадцать лет развивается новый комплекс технологий. Это не технологии вычитания, это технологии сложения или аддитивные технологии.

В отличие от технологий литья и резанья, аддитивное производство построено на добавлении материала. Изделия создаются за счет добавления металлического порошка, либо металлической проволоки, либо металлического расплава туда, куда нужно. И такой подход, он, с одной стороны, позволяет очень здорово экономить материал, с другой стороны, он позволяет совершенно революционным образом повышать производительность процессов. И то, что раньше делалось месяцами, сейчас может делаться за часы. И третье, то, что дают аддитивные технологии, и то, что невозможно получить по-другому, это возможность создавать изделия такой формы, которую никакие традиционные технологии принципиально создать не могли. То, что я сказал, сейчас, наверно, уже является общим местом, потому что аддитивные технологии на слуху в последние годы. Но от общих мест, от общих положений до конкретной реализации еще довольно далеко. И это далеко обозначает путь, который можно пройти. И идти по этому пути интересно. И на этом пути, тех, кто по нему пойдет, ждут не только, так скажем, приключения духа, но и реальные, интересные, опять же жизненные поражения и победы.

С чего можно начать в области аддитивных технологий? Сейчас основной из аддитивных технологий, которая используется человечеством, является технология послойного выращивания. Материал для этих технологий приготавливается в виде порошков. Потом из этих порошков создаются тонкие слои, в тонких слоях, там, где нужно, материал расплавляется либо просто нагревается, чтобы новый слой приплавился либо припекся к старому. Потом обработанный слой покрывается новым слоем порошка и процесс повторяется. Так работают хорошо известные машины по технологиям SLS или SLM, и практически все, что сейчас имеется в виду под аддитивными технологиями, относится к этим двум технологиям. И все вроде бы неплохо, действительно, таким образом можно выращивать изделия почти произвольной формы. С очень высокой точностью, в реальности не уступающей точности механической обработки, из достаточно широкого спектра материалов. Но на пути реального промышленного применения встают две вещи. Вещь первая — это низкая производительность послойных технологий.

В реальности производительность машин для послойного выращивания ограничена десятками, редко — сотнями грамм в час. В принципе приемлемо, если, конечно, не нужно создать изделие весом килограмм в двести, ну, например, любимую нами среднюю опору газотурбинного двигателя. Тогда получается, что срок производства этой опоры по технологии послойного выращивания составит примерно шестьсот часов. Вряд ли кто-то способен выждать шестьсот часов, и вряд ли можно обеспечить непрерывную работу технологической установки на протяжение шести ста часов. Ну и второй момент, то, что эта опора — это изделие диаметром примерно два метра, и таких послойных машин просто нет. Невозможно такую точную механику, которая нужна для этих послойных машин, вот в таком масштабе организовать. А вторая причина, которая является проблемной при внедрении вот таких аддитивных технологий — это качество материала, которое при послойном выращивании получается. Дело в том, что вот эти самые порошиночки, из которых состоит слой, довольно здорово ослабляют лазерное излучение, которое используется для оплавления порошка в слое. И получается так, что температура верхних порошиночек и температура нижних отличается. И если мы хотим с гарантией расплавить низ, то мы должны перегреть верх. А если мы не хотим верх вскипятить, а кипение на поверхности — это разбрызгивание и формирование дефектов, то мы низ должны не доплавить. В итоге у нас получаются поры.

Поры — это внутренне присущий всем послойным технологиям дефект. С ними можно бороться. Их можно устранять последующим изостатическим прессованием. Это, когда изделие помещается на долгое время в газовую камеру, в горячую газовую камеру с очень высоким давлением. Поры таким образом медленно пластически залечиваются. Но технология крайне дорогая, а все-таки реальная промышленность она состоит из двух вещей. Она состоит наполовину, конечно, из техники, а на половину из экономики, и все должно быть дешевым. И на фоне вот этих сложностей существует еще одна аддитивная технология.

Технология, которую мы называем прямым лазерным выращиванием, которая свободна от очень многих недостатков послойных технологий. Что это такое? Это технология, основанная на подаче порошка в зону выращивания с помощью специальным образом сформированной в пространстве газопорошковой струи. Поток газа несет частички порошка. Этот поток газа должен быть правильно организован в пространстве, а плотность частичек порошка должна быть правильно организована внутри этой струи. Не так просто такую струю, которая нужна для выращивания, сделать. Но если такую струю сформировать, и направить либо вдоль этой струи, либо под углом к ней сфокусированное лазерное излучение, то мы получаем возможность нагревать и частично оплавлять частички порошка в струе. Тогда, попадая на мишень, в ту зону, где выращивается изделие, эти самые частички сплавляются друг с другом, но от каждой или почти от каждой частички остается одно твердое ядрышко. И вот это вот маленькое твердое ядрышко играет крайне важную роль.

Дело в том, что эти не расплавившиеся остатки порошинок становятся центрами новой кристаллизации. И в таком случае кристаллизация расплава идет не от поверхности, на которой этот самый расплав лежит, а идет из объема. Объемная кристаллизация при прямом лазерном выращивании — это залог получения мелкозернистой структуры металла. А мелкозернистая структура металла позволяет получать механические свойства выращенных таким образом изделий практически на уровне проката или покова, в зависимости от материала. Чего никакие другие аддитивные технологии получить не позволяют в реальности, потому что послойная технология все же обеспечивает структуру, близкую к структуре отливки или к микроотливки. Это первый из больших плюсов технологии прямого выращивания. Нет проблем или почти нету проблем со структурой и свойствами выращиваемого материала.

Второй существенный момент — нет пространственных ограничений. Потому что рабочим инструментом является технологическая головка, которая объединяет в себе две вещи. Она объединяет сопло для подачи газопорошковой струи, объединяет вместе с объективом, фокусирующим лазерное излучение. Но это не большой и не тяжелый инструмент. Его можно дать, например, в руку роботу. И насколько хватит размаха у руки робота, настолько можно вырастить изделие. Размах рук робота сейчас практически уже ничем не ограничен. Еще одно ограничение — это ограничение на внешнюю атмосферу. Все же металл горячий, металл расплавленный. Хорошо бы защитить его от взаимодействия с активными газами. Но не существует больших проблем создать камеру, заполнить ее аргоном, и вот такие вот установки — робот с инструментом в руке, камера, заполненная аргоном и система управления, они, на мой взгляд, и являются сейчас самым перспективным в аддитивных технологиях. Это уже даже, причем, не столько завтрашний день, сколько уже частично сегодняшний, они уже в металле есть. И третье, что для такой технологии замечательно — она высоко производительна.

В реальности это скорости выращивания в изделии, которые измеряются не в граммах в час, а в килограммах в час. Это значит, что реальное тяжелое изделие можно сделать за смену-за две. А это приведет к тому, что изменится структура нашего машиностроения. Технология уже готова к тому, чтобы очень здорово потеснить вот эти самые технологии литья и резанья. Не полностью вытеснить их, ни одна технология не способна целиком заменить другие. Все технологии у нас так или иначе нишевые. Но использование прямого выращивания в промышленных объемах в таких же количествах, как используются сейчас обрабатывающие центры для фрезерной либо токарной обработки, позволят, по нашим оценкам, примерно в десять раз поднять производительность изготовления металлических изделий. И в три-пять раз снизить их себестоимость. В реальности в масштабах промышленности это революция.

Эта самая революция, она просто медленная такая, растянутая, наверное, на годы, может быть не очень заметная, но она идет сейчас. Повлечет она за собой, скорее всего, не только технические последствия, повлечет за собой социальные последствия, потому что она приведет к изменению роли различных профессий, появлению новых и к значительному снижению спроса на старые. И она, также, как и другие аддитивные технологии, в этом она на них похожа, позволит превратить производственные машины в компьютерную периферию. То, что случилось когда-то с печатным делом, когда просто исчезли печатники как класс, и гигантское количество людей было заменено маленькими компьютерами и принтерами.

По-видимому, то же самое случится сейчас и с этими аддитивными технологиями. Но не только отрицательные последствия, безусловно, скорее, даже не столько отрицательные последствия повлечет за собой внедрение этих технологий, потому что новые технологии потребуют новых материалов. Открывается гигантское поле для производителей материалов, для исследователей материалов, для создателей средств промышленной автоматизации, для тех, кто занимается техническим зрением и управлением производственными процессами. Просто у нас сейчас с вами на глазах создается не просто новая отрасль промышленности, а практически новая сфера человеческой деятельности, и поучаствовать в создании которой есть в общем-то реальный шанс практически у всех. Надеюсь, что мои слушатели, по крайней мере, некоторые из них, воспользуются такой возможностью.