Что печатают металлом
Институт МАСТ, он же — передовая инженерная школа* «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии», был создан в НИТУ МИСИС в рамках федерального проекта по поддержке инженерного образования. Здесь разрабатывают материалы и технологии для металлической 3D-печати. В отличие от привычной печати пластиком, в качестве исходного материала используют металлические порошки, из которых затем формируют готовые изделия.
Специалисты института создают новые сплавы, исследуют их свойства, изготавливают опытные образцы и проверяют, насколько они подходят для применения в промышленности. Среди направлений работы — авиация, энергетика, микроэлектроника и медицина.
Сейчас в 23 регионах России действует 50 передовых инженерных школ, одна из них — в НИТУ МИСИС.
Одним из примеров преимуществ металлической 3D-печати Саддам Машарипов, заместитель директора Института МАСТ (ПИШ МАСТ) Университета МИСИС, называет теплообменник. Внутри такой детали располагается сложная система каналов, по которым одновременно проходят жидкость и воздух. Благодаря такой конструкции увеличивается площадь теплообмена и повышается эффективность охлаждения.
По словам ученого, изготовить подобное изделие традиционными методами практически невозможно.
«Если брать авиацию и космонавтику, борьба идет буквально за каждый грамм. Такие детали без аддитивных технологий сделать очень сложно».
Саддам Машарипов, заместитель директора Института МАСТ (ПИШ МАСТ) Университета МИСИС
Еще одно направление связано с микроэлектроникой. Исследователи пытаются освоить печать миниатюрных металлических корпусов для электронных компонентов, однако существующие лазерные системы пока не обеспечивают необходимую точность.
Кроме того, в институте работают над созданием неодимовых магнитов (в состав входит неодим-железо-бор) сложной формы. Сегодня для их производства часто требуются дорогостоящие пресс-формы, которые выгодны только при больших объемах выпуска.
Аддитивные технологии позволяют отказаться от такой оснастки и создавать изделия сложной конфигурации небольшими партиями. Пока технология находится на стадии разработки, но исследователи считают это направление перспективным.
Магний вместо титана
Одно из направлений работы института связано и с медицинскими материалами. Ученые исследуют магниевые сплавы, из которых с помощью аддитивных технологий можно создавать имплантаты.
Сегодня при восстановлении костей чаще всего используют титановые конструкции. Они прочны, биосовместимы и хорошо приживаются, однако остаются в организме на всю жизнь или требуют повторной операции для удаления.
Магний обладает другим свойством. Он постепенно растворяется в организме и естественным образом выводится. Если правильно подобрать состав сплава, скорость его разрушения можно синхронизировать с процессом восстановления костной ткани. Пока имплантат постепенно теряет прочность, нагрузку начинает принимать новая кость. «Получается так, что косточка нарастает, а магний уходит», — объясняет Машарипов.
Отдельное внимание исследователи уделяют безопасности технологии. При растворении магния выделяется водород, однако проведенные исследования показывают, что его количество значительно ниже безопасных значений.
Почему магний сложно печатать
Создать подходящий сплав — только часть задачи. Не менее сложно научиться стабильно производить из него изделия методом 3D-печати. Главная проблема связана со свойствами магниевого порошка. В отличие от стали или алюминия, он требует особых условий хранения, транспортировки и загрузки из-за повышенной пожароопасности.
«Магний — достаточно сложный материал для работы. Если взять тот же алюминий или сталь, с ними проще организовать производство. А магниевый порошок требует специальных условий: нужно учитывать его свойства, правильно хранить материал и соблюдать дополнительные меры безопасности», — рассказывает Саддам Машарипов.
По словам ученого, для полноценной печати магнием необходимы специальные помещения, оборудование и отдельная аккредитация. Поэтому специалисты продолжают совершенствовать технологию и изучают зарубежный опыт. В частности, сотрудники и студенты института проходили стажировки в Китае, где подобные разработки развиваются уже несколько лет.
От порошка до готового изделия
Разработка новых материалов — лишь первый этап работы. В институте выстроен полный цикл создания изделий: специалисты проектируют состав сплава, моделируют его свойства, получают порошок, печатают детали, проводят испытания и готовят разработки к сертификации.
«Важно, что мы не только развиваем технологии аддитивного производства в России, но и готовим новых специалистов по 3D-печати. Многие образовательные программы мы реализуем в рамках пилотного проекта по совершенствованию национальной образовательной системы. В этом году у нас также стартовала программа повышения квалификации для преподавателей вузов, которых мы обучаем современным методам компьютерного моделирования материалов и инженерного анализа».
Александр Комиссаров, директор Института МАСТ (ПИШ МАСТ) Университета МИСИС
Процесс начинается с создания материала. Инженеры рассчитывают состав нового сплава, затем выплавляют его и превращают в металлический порошок с помощью атомайзера. Расплавленный металл распыляется на частицы размером около 20–30 микрон, после чего материал загружается в установку для печати.
Сама деталь формируется постепенно. На рабочую платформу наносится тонкий слой порошка, лазер сплавляет его в заданных местах, затем сверху наносится следующий слой. Так изделие выращивается до получения необходимой формы.
После изготовления каждая деталь проходит компьютерную томографию и другие методы неразрушающего контроля, а затем испытывается на прочность. Если характеристики не соответствуют требованиям, инженеры корректируют состав материала или параметры печати и повторяют процесс.
Иногда таких итераций требуется несколько. Например, при разработке деталей для турбин специалистам пришлось неоднократно менять технологию и режимы печати, прежде чем удалось получить изделие с необходимыми характеристиками.
Чужое не берем, а взяли — и дорабатываем
Оборудование для металлической 3D-печати в институте смешанное: часть установок российского производства, часть — зарубежного. Порошковые принтеры разработаны компанией ONSINT, а вот атомайзер, на котором получают металлические порошки, пока импортный. Впрочем, отечественные аналоги уже появились и хорошо себя зарекомендовали.
«То, что вы видели, ONSINT — это отечественное производство. Атомайзер иностранный. Просто в свое время мы не приобретали российские. На тот момент, в 2022 году, ребята только-только вставали на ноги. Но уже движемся в сторону отечественных производителей», — рассказывает Машарипов.
Однако импортозамещение не решает всех задач. Например, для печати микроэлектроники требуется лазер высокой точности. У существующих российских установок этот параметр пока не соответствует требованиям, а заменить лазерный модуль на сторонний невозможно — конструкция принтера этого не позволяет.
По мнению ученого, в подобных случаях возникает вопрос стратегии: создавать технологию с нуля или брать существующее решение за основу и адаптировать его под собственные задачи. Машарипов убежден, что второй путь гораздо рациональнее.
«Лучше, конечно, начать с того, на чем остановились другие, чем самим пытаться изобретать велосипед. Гораздо быстрее заниматься реверс-инжинирингом, чем повторять все с нуля».
Саддам Машарипов, заместитель директора Института МАСТ (ПИШ МАСТ) Университета МИСИС
При этом речь не идет о простом копировании. Любую технологию приходится серьезно перерабатывать, адаптируя ее под собственные материалы, производственные возможности и требования российских предприятий.
«Как показала практика, оптимальная стратегия — развивать уже существующие разработки. Их все равно приходится адаптировать под российские условия и перерабатывать конструкцию, поэтому создавать все с нуля не имеет смысла. Намного эффективнее использовать готовую основу и совершенствовать ее под свои задачи» , — резюмирует Машарипов.
Почему нельзя просто напечатать деталь
Даже успешные испытания не означают, что готовое изделие можно сразу использовать в промышленности. Одним из главных ограничений остается сертификация.
По словам Машарипова, аддитивное производство развивается быстрее, чем нормативная база. Для многих видов продукции пока отсутствуют необходимые стандарты, поэтому институт не только разрабатывает технологии, но и участвует в подготовке специалистов по сертификации и создании новых ГОСТов.
«Сейчас одна из главных проблем — не только создать материал или напечатать деталь, а доказать, что она соответствует всем требованиям. Аддитивные технологии развиваются очень быстро, а нормативная база не всегда успевает за ними. Поэтому приходится одновременно работать и над самой технологией, и над правилами ее применения».
Саддам Машарипов, заместитель директора Института МАСТ (ПИШ МАСТ) Университета МИСИС
Это особенно важно для авиации, атомной отрасли и медицины, где требования к безопасности деталей значительно выше. Без подтверждения соответствия даже перспективная разработка не сможет выйти на рынок.
Вывод
Современная металлическая 3D-печать — это гораздо больше, чем работа принтера. За каждым готовым изделием стоит длинная цепочка исследований: разработка нового сплава, получение порошка, подбор параметров печати, испытания, доработка конструкции и последующая сертификация.
При этом отрасль продолжает активно развиваться. Ученые работают над магниевыми имплантатами, осваивают печать изделий для микроэлектроники, создают новые материалы для авиации и энергетики, а параллельно обучают новых специалистов и помогают формировать нормативную базу, без которой инновации не смогут выйти за пределы лабораторий.
Именно поэтому будущее аддитивных технологий определяется не только скоростью печати или возможностями оборудования. Не менее важны новые материалы, инженерные решения и способность адаптировать уже существующие разработки под собственные задачи. Такая комплексная работа сегодня превращает металлическую 3D-печать из перспективной технологии в полноценный инструмент современной промышленности.