Как избежать «треска»?

Ученые ТПУ разрабатывают новый подход, который позволит повысить качество 3D-печати металлов

Исследователи научно-производственной лаборатории «Современные производственные технологии» Томского политехнического университета работают над комплексным подходом, который поможет прогнозировать свойства изделий, получаемых аддитивными технологиями, и повысить их качество. Проект «Теоретическое и экспериментальное исследование электронно-лучевого сплавления и селективного лазерного сплавления порошковых материалов на основе титана в процессах аддитивного производства» поддержан грантом Российского научного фонда. О том, какие задачи стоят перед учеными и почему треск в изделиях - это плохо, рассказал руководитель проекта, научный сотрудник лаборатории Роман Черепанов.

Предсказать результат

Селективное лазерное и электронно-лучевое сплавление - самые популярные сегодня способы 3D-печати металлических деталей. Однако установлено, что при селективном сплавлении порошков металлов проявляется ряд эффектов, оказывающих влияние на качество конечного изделия. Речь идет, например, о сфероидизации, когда при плавлении частицы порошка за счет сил поверхностного натяжения образуются капли вместо ожидаемой ровной поверхности, или об электростатическом распылении, возникающем при наличии на поверхности порошка диэлектрической оксидной пленки, которая препятствует стеканию заряда при электронно-лучевом сплавлении.

При этом такие эффекты и их влияние в настоящее время мало изучены. Компании, которые занимаются производством установок для 3D-печати и порошков для них, проводят подобные исследования, но полученные результаты используются в коммерческой деятельности и редко попадают на страницы научных изданий. И политехники сейчас работают над решением достаточно масштабной задачи. - Для успешного промышленного применения нам необходимо уметь предсказывать результат процесса заранее. Допустим, если в массовом производстве можно сделать

10 пробных изделий и подобрать оптимальные режимы и способы обработки так, чтобы итоговое качество устраивало, то в аддитивных технологиях предполагается, что они позволят спроектировать изделие или деталь достаточно сложной формы и очень быстро пустить ее в штучное производство, миновав длительный подбор параметров. Но спрогнозировать то, что в итоге получится, мы не можем. Поэтому наш проект можно условно разбить на две части. Первая - это работа по созданию компьютерных моделей физических процессов, происходящих в условиях производства изделий сложной формы. А вторая часть связана с тем, что все наши физические и математические модели должны быть привязаны к реальности и учитывать свойства материалов, которые будут обрабатываться на практике. Таким образом, мы хотим, что называется, убить двух зайцев: доработать модели, созданные ранее, и определить недостающие параметры материалов. Все это позволит нам заранее определять результат и выбрать оптимальный способ печати, - рассказывает Роман Черепанов.

Проблемы с треском

В своем исследовании политехники используют порошки титановых сплавов. Это наиболее изученные материалы, которые широко применяются в производстве в области авиации. Полученные изделия отличаются легкостью и прочностью, но стоят достаточно дорого. При этом часто детали, которые получаются при селективном сплавлении порошков металлов, «трещат».

- Очень часто, когда мы вынимаем изделия из камеры установки, они ломаются и разрушаются с громким треском. Этот эффект вызывается рядом факторов. Как сделать так, чтобы его не было, мы пока не знаем, но разбираемся с тем, что происходит внутри, какие меры предпринять, чтобы подобный эффект не возникал, - поясняет политехник.

Проект рассчитан на три года с возможностью продления. В течение 2017 года ученые провели определенную подготовительную работу. Сейчас они работают над расширением возможностей программного комплекса, занимающегося моделированием плавления порошков. - Мы не можем использовать готовые программные пакеты, так как физические процессы у нас разноплановые, плюс нам необходимо учитывать зависимость свойств материалов от температуры. В нашем случае очень сильное влияние оказывают коэффициенты поверхностного натяжения, диффузии, теплопроводности, теплоемкости, термического расширения, наличие фазовых переходов, - подчеркивает ученый.

Кроме того, в течение всей реализации проекта будут проводиться эксперименты с использованием оборудования, разработанного в ТПУ. Причем политехники планируют задействовать сразу две установки. Основные исполнители работ - сотрудники лаборатории Роман Черепанов и Максим Криницын. Также в проект вовлечены магистранты, молодые инженеры и техники.

- Исследования проводятся на экспериментальной установке «Луч-500», предназначенной для селективного лазерного сплавления металлических порошков. Также мы задействуем установку селективного электронно-лучевого сплавления. Процессы почти одинаковые, модель похожая, а задействование обеих установок поможет нам научиться печатать изделия высокого качества разными способами. Эксперименты будут вестись все три года: сначала мы будем выяснять параметры расплавленной поверхности нашего порошка, потом смотреть, как на процесс сплавления влияет толщина оксидной пленки, как ее учесть в наших моделях, какие у нее свойства. Затем по полученным результатам сможем определить свойства и понять, можно ли, исходя из модельных представлений, управлять структурой промышленных изделий, улучшать ее и контролировать параметры. Мы готовы принять в проект толковых ребят, у которых есть желание заниматься научной стороной 3D-печати, — говорит Роман Черепанов.

Подготовила Наталья Каракорскова