Трехмерная печать в свое время стала революцией — появилась возможность на месте печатать любую деталь из пластика. Сейчас технология развивается в основном в сторону скорости и качества печати, но материал для конечных изделий остается все тем же. Ученые Томского госуниверситета сумели модернизировать обычный 3D-принтер под печать металлических изделий, используя в качестве исходного сырья оригинальные фидстоки. Подробности — в специальном проекте Tomsk.ru и ТГУ «Технотренды».
В чем разница печати пластиком и металлом?
Если для каких-то нужд нужно сделать деталь сложной формы из пластика — нет проблем. 3D-принтеры можно купить в любом компьютерном магазине, цена вопроса — от 10-15 тысяч рублей. Ставь хоть дома. Если нужна металлическая деталь, все сильно сложнее. Классический вариант: обработка заготовки на токарном или фрезерном станке, шлифовка специальной машиной…
Максим Криницын, сотрудник отдела инновационных программ и проектов научного управления ТГУ:
Для металла также существуют способы трехмерной печати, самый распространенный — лазерное или электронно-лучевое сплавление: металл локально переплавляют и выращивают изделие слой за слоем. Но это дорогостоящие 3D-принтеры, которые существуют только в промышленном исполнении. Их цена — от 10 миллионов рублей за самые простые модели до сотен миллионов. Печать одного изделия стоит очень дорого, плюс нужны особые условия работы, к тому же годовое обслуживание принтера может стоить дороже, чем он сам. В общем, далеко не каждое предприятие может себе позволить…
Фидстоки, разработанные в Томском госуниверситете, позволяют печатать металлические изделия на обычных 3D-принтерах. Такого в мире еще никто не делал.
Что же такое фидстоки?
Для массового выпуска изделий из пластика используется литье под давлением в формы. Исходное сырье для литья — полимерные гранулы. Так вот, фидстоки — это те же самые полимерные гранулы, но в них добавлены металл или керамика в виде порошков (или нанопорошков). То есть просто модернизированный пластик. Для его применения подходит то же самое оборудование, что и для обычного пластика.
Максим Криницын:
Первоначально фидсток использовался именно для литья под давлением в литьевых машинах для пластмасс. Принцип работы таков: металлы и керамика имеют температуру спекания в среднем 1000 градусов и выше, а почти любой полимер выгорает на 300 градусах. После того, как мы получили изделие из фидстока, пластик удаляется — и получается металлическое или керамическое изделие.
Для примера Максим показывает два идентичных по форме изделия в форме снежинки. Но первый образец — довольно хрупкий, потому что прочность связи у полимера небольшая. Его не сложно сломать. Это так называемая «зеленая деталь» — то, что вышло из 3D-принтера сразу после печати фидстоками. Вторая снежинка — это уже конечное изделие из металла. Таковым оно становится после обработки: «зеленую деталь» помещают в растворитель (ацетон или спирт, в зависимости от первоначального состава гранул), полимерное связующее удаляется, металл — в данном случае медный сплав — остается. Потом, правда, нужен еще один этап – спекание в вакуумной печи при высоких температурах (это уже классические технологии порошковой металлургии). Дома ее не поставишь, но в целом это не такая дорогая и сложная вещь, как оборудование для лазерного спекания. Почти на любом заводе вакуумные печи есть.
Фидсток засыпается в виде гранул в модернизированный 3D-принтер, и тот послойно печатает заданную трехмерную модель.
Кто производит фидстоки и в чем ноу-хау томичей?
Мировым монополистом по фидстокам является немецкая компания BASF. Она производит их для литья под давлением. Кроме того, у немцев довольно узкая номенклатура по химическому составу — в силу, так скажем, специфичности рынка.
Максим Криницин:
BASF производит менее десятка составов фидстоков, мы же можем получать фидстоки, по сути, из любого материала, который существует в виде проволоки. Сталь, медь, алюминий, титан, молибден, вольфрам —что угодно! Дело в том, что в ТГУ существует технология получения порошков (в том числе наноразмерных), которую разработал университетский ученый, главный научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии Марат Лернер.
В частности, порошки получаются методом электровзрыва проволоки: металлическая проволока (повторимся, любого состава) нагревается, взрывается (для этого подается большой короткий импульс энергии) и после этого кристаллизуется в виде порошка. Затем на специальной машине этот порошок переплавляется с полимером, полученная нить разрубается на гранулы.
В принципе, непосредственно технология электровзрыва достаточно известна, но чтобы таким способом получить фидсток, нужно привлечь сразу несколько специалистов из разных областей: химиков, материаловедов, взрывников, инженеров. Если речь идет о материалах для медицины, то еще и медиков и биологов.
Максим Криницын:
Исследования были поддержаны Российским научным фондом и программой «Приоритет 2030». Мы ориентируемся на машиностроение как основного потребителя технологии. Но она может применяться практически в любой сфере. Например, на одной из выставок мы получили запрос на изготовление керамических изоляторов для высоковольтных линий. Есть интерес со стороны медицины: 3D-печать хороша тем, что позволяет штучно печатать изделия уникальной формы по заданной модели, а медицина — это всегда именно штучное производство, потому что у каждого человека свои особенности зубов, костей. Сейчас у нас есть несколько отработанных, полностью готовых составов. В лабораторных условиях мы по заказу можем произвести несколько десятков килограмм фидстоков, но сама технология масштабируема на любом производстве.
Комментарии
- материаловедение, ау?
- сопромат, ау?
нет, не слышал.
Так изучите, это не секретные знания древних, все доступно для обычного читателя.
- вот когда напечатанные в 3D лопатки для турбины, или шестерни в крайнем случае, отработают положенный срок, тогда и похвалитесь саркастично своими познаниями.
В моё время теормех и сопромат без материаловедения инженерами не изучались.
Видимо у потерянного поколения с дебильниками вместо ума иначе.
Вам видней - это ваша жизнь.
Так в старину и стиральные машинки служили по 30 лет, никого не удивляло. А сейчас несут на помойку еще работающий агрегат, потому как вышла новая с голосовым управлением (носками, видимо), иль попросту хата съемная и опять выгнали за неуплату.
- у торгашей волшебное слово - машинный цикл - срок службы.
В далёких 80х все автоконцерны платили за разработку этой технологии - как сократить срок службы легковых авто.
Магистральные тягачи должны служить по 30 лет, легковушка - 3.
Поэтому стали выпускать серии, там дворники другие, там подфарники не те.
Навязывать моду.
Бери кредит, покупай модную - быстрей, не успеешь.
Жизнь взаймы, Ремарк.
А по вашему только турбинные лопатки и стоит изготавливать? Давайте тогда покритикуйте какую-либо штамповку, не проживет она в турбине и часа..
Да и насчет живучести напечатанного в турбине - вы идите инженеров Сименс или Силовых машин поучите их работе, тупые наверное, зачем-то испытывают и достаточно успешно такие напечатанные детали, не читали видно сопромат издания какого-либо 50-го года..
в моих буквах есть поучения?
Вы точно мои буквы читали?
Наука это синтез теории и практики, она тем и развивается - экспериментом.
Как изготавливают турбинные лопатки на сименсе мне не ведомо.
Возможно печатают на 3D принтере, возможно развили порошковую металлургию методом взрыва, возможно тянут переплетая нити мономолекул. Это ж секрет фирмы, кто мне скажет?
Как с дивана, то не понятен один вопрос.
Объем детали после принтера содержит полимер в каком то количестве. После вытравливания полимера деталь должна потерять в объеме.
Возможно, деталь проектируется уже с учетом будущей потери объема? Но как тут с равномерностью потерь?
Хорошие вопросы. Ответа у меня нет - здесь просто новость о создании новой технологии. А вопросы равномерности, прочности и так далее, решать придется по ходу. В частности, с помощью испытания на прочность таких изделий. Ну и исследование равномерности в том числе.
Думаю, что деталь не потеряет в объёме, просто появятся пустоты. Деталь станет ажурной.
Любое спекание подразумевает усадку. Даже для объёмно пористых деталей есть нормативы по усадке.
Технологии с фидстоками применяется (по крайней мере по доступной информации) для тех деталей где усадка и нормирование механической прочности неважна, - ювелирка, дизайн, моделирование (не путать с прототипирование, где размеры важны)
Фото вводит в заблуждение. Естественно что ротор турбины работающий в предельных механических и температурных условиях по такой технологии вряд ли удастся изготовить...
Вообще всегда надо иметь ввиду что пока аддитивные технологии это скорее про повторение внешней формы, а не про внутреннюю прочность...
Есть масса применений, в которых эта прочность достаточна. Усадка так-же, при качественном сырье ее можно учесть, плюс все зависит от требуемых допусков, часто допуски достаточны, не требуется точность до микрон, там где требуется - можно и постобработкой выправить, классические технологии так-же не позволяют обычно сразу получить деталь в точных допусках, ее дообрабатывают, шлифуют, притирают и т.п.
Естественно в общем случае вы абсолютно правы.
Но пока с аддитивными технологиями каждый изготовитель действует на свой страх и риск.
Здесь томичи намудрили.Простой процесс выгорания связующего давно применяю. ...не космос))).
Я 3D печатью ("классической", полимерами) немного занимаюсь в качестве хобби. Пластик после печати усаживается. Разные виды пластика по разному, но усаживаются все. Это приходится учитывать при разработке модели, если, например, нужно получить очень точный размер отверстия в изделии, то в обязательном порядке придется ввести поправку на усадку пластика, либо отдать это на финишную обработку - расточку отверстия до нужного размера. Причем надо учитывать то что разный пластик усаживается по разному, что усадка в одной плоскости отличается от усадки в другой.. В общем тут целая наука.
В случае с технологией из статьи, я полагаю, что ключевым тут является качество металлизированного пластика, насколько равномерно в объеме распределен металл. Если сырье качественное, то усадка будет равномерной и ее довольно просто будет учесть.
Думаю эта технология имеет свои недостатки и ограничения, но может быть полезна в определенных областях.
Ничего себе хобби. Неужели самолётный двигатель?
Если не секрет, чем занимаетесь?
Так я про печать пластиком. Тут, как говорят у "наиболее вероятного партнера" никакой "рокет сайенс", принтер стоит сравнительно недорого, как и пластик.
Я увлекся 3D моделированием в основном в Солиде сейчас делаю вские детальки, и принтер тут очень в тему, можно модель "материализовать" и в руках покрутить. Ну и строительством занимаюсь, оказалось очень практичная тема для изготовления всяческих там кронштейнов, проставок, и разных хитрых приспособ.
Например, сделали ванную комнату - обклеили керамогранитом, надо в стенки закрепить розетки. Кто пробовал сверлить керамогранит - знает какая это мука, сверлится он алмазом и очень тяжко и есть вероятность расколоть плитку. А для крепления одной розетки надо четыре дырки пробурить, а розеток я там запланировал много.. В общем почесал репу, и решил проблему по другому.. напечатал хитрые крючки, которые заводятся за стенку внутри, а с другой стороны в них отверстия под саморезы, в итоге розетки закреплены так, что выдрать их можно только с куском стены, и дырки бурить не пришлось.. Ну и все в таком духе, разные кронштейны для умных колонок, под небольшие солнечные батареи и т.п. печатаю. Времени свободного сейчас немного, поэтому не использую принтер на все 100%, только по необходимости, но уже выручал.
Есть еще и небольшой ЧПУ, до него пока руки не доходят заняться им плотно..
Но все эти штуки, конечно, имеют смысл только в сочетании с умением моделировать детали самостоятельно, иначе это просто штука поиграться - всякое попечатать из сети и забыть..
На Хабре недавно было.
Типа стандартно до 20% усадка, по разным плоскостям - разная.
Малоусадочная - около 7%, ± процент-полтора. Также расколбас по осям.
У FDM это обычное дело, усадка вдоль слоев и поперек разная. Но это и не проблема, значение усадки известно, просто вносятся поправки в модель.
Этой технологии уже лет 30, если не больше. Общался с французом из фирмы Tekna. Титановые порошки, полученные в плазме, это их бизнес, как и продажа плазменных установок для их производства. Технология нова только для отсталых динозавров. Таких у нас к сожалению много.
Ниша узкая, на больших сериях точное литьё кроет эту технологию как бык овцу. Но делать что-то мелкосерийное печатью выгоднее из-за большей гибкости и отсутствия необходимости в оснастке. Есть гибридный вариант, печатается литейная форма и с её помощью получается прочная и плотная отливка.
Простите, а при чем тут вообще титановые порошки в плазме? Тут речь о возможности печати на обычном бытовом 3Д любым металлом.
Я написал как в одном из самых производительных вариантов получают металлический порошок, который добавляют в фидстоки. Без этого компонента технология печати металлами невозможна. Основная сложность как раз в получении порошков и высоконаполненных фидстоков. Конкретно в этом случае будет высокая открытая пористость и дикая усадка, если повысить температуру и время спекания. Это можно преодолеть, но не скажу как.
сварка взрывом, клепка газом, сборка трезвым (с)
терзают смутные сомнения о прочности подобного решения. Если уж спекать надо - литейка как-то надежнее.
..."растворение спиртом" упустили самое важное)).Разлить и растворить(ч)))).
Блин, вот оно, главное преимущество технологии!
это же сколько спирта бесконтрольно можно списать
Интересно, но не освещён вопрос размеров детали.
Заготовка после принтера содержит полимер, полимер удаляется растворителем, появляются поры. После запекания в высокотемпературной печи, металл заполнит поры, но за счёт уже имещегося в заготовке металла.
И, если в заготовке полимера будет, пусть 20%, то?
Новость хорошая.
А для названия исходников русское слово не придумать?
Это не инновационно. Стартап с русским названием не стартапается.
Есть книга 1956 г. Академика Тихонова, так и называется:«Спекание». В ней речь о металлических порошках, как с ними работать ит.д. Поэтому хруст французских «булок» в этой области наступил через 40 лет после того, как все было исследовано и разжевано.
Есть сотни других компаний, которые уже серийно выпускают оборудование для производства порошков, в том числе из тугоплавких сплавов. Но пока эти изделия не отвечают требованиям ГОСТ для аэрокосмической отрасли.
Пользуюсь такими порошками в частности металлоглиной ))).
Да рази можно с фидстоками так делать, вы что. Это ж сразу изюминка фирмовой загадочности исчезнет.
Корень идеи - постобработка напечатанной на обычном 3д принтере детали, не меняющая ее форму, но существенно подымающая прочность. Тема интересная. Тут не обязательно металлы включать в филамент или гранулы, можно керамику или какие-то соединения, любой материал временно пластичный при начальном небольшом нагреве, но сильно меняющий свойства после специальной обработки.
Обычные лампочки накаливания при перегорании в колбе оставляют порошок.Оказывается это вольфрам нанокристаллический))).Фидсток хорошо,а
оленилитьё лучше-уже давно освоенные технологии с порошками металлов и связующим.в чем проблема печатать металлом методом электролиза*? тоесть деталь печатать в электролите. сопло будет выглядеть несколько иначе, но и греть ничего не нужно.
Электролизом можно, но это намного дольше и с наскока не получится. Возможно понадобится несколько сопел. Нужны опыты. Много.
Какое элегантное решение, если довести до ума.
Хотя я предпочел бы рисование деталей сталью при высокой температуре. Более общее решение, которое может отправить далеко и надолго большинство производителей запчастей.