Кстати, совсем недавно я и делегация специалистов из ВИАМа побывали в Поднебесной, где мы провели весьма успешные переговоры о развитии сотрудничества с китайской Академией авиационной фундаментальной техники (Avic Tech) в области аддитивных технологий. В частности, речь шла о создании совместной лаборатории, металлопорошковой композиции, а также о применении неразрушающих методов контроля определения пористости деталей.
В 22 странах созданы национальные ассоциации по аддитивным технологиям, объединенные в альянс GARPA — Global Alliance of Rapid Prototyping Associations. Этот альянс создал специальный международный комитет, который утверждает все нормативные документы. В рамках альянса работает продвинутая кооперация: я делаю 3D-модель, а вы имеете возможность произвести эту деталь нужного размера. Я вам отправляю по почте цифровую 3D-модель. Вы мне говорите: «Все, окей» — и изготавливаете. А поскольку создание 3D-моделей может вызвать трудности у среднего пользователя, в последние годы получили распространение еще и фирмы, которые по заказу разрабатывают 3D-модели.
— А мы участвуем в этом объединении?
— Мы не участвуем. Чтобы участвовать, мы у себя должны создать свое производство и только тогда можно войти в эту международную ассоциацию. Хочу отметить, что, например, при торговле между странами альянса цены на те же порошки значительно ниже, чем те, по которым они продают их нам.
Вклад России в рынок аддитивных технологий пока составляет около одного процента. И в основном это результат тех работ в области лазерной стереолитографии, которые были выполнены еще в Советском Союзе под руководством академика РАН Владислава Яковлевича Панченко в Институте проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ) РАH. Стереолитография — это процесс изготовления трехмерных изделий из фотополимерных материалов по специальной программе под воздействием света. У нас на заводах используют этот метод при создании и отработке новых сложноконтурных деталей или конструкций, изготавливая их модели в реальных размерах, что помогает оценить функциональность и исключить возможность различных ошибок перед серийным производством изделия. В том же ИПЛИТе предложили создавать модели оперируемых органов на основе томографии больного органа и изготавливать их методом стереолитографии. Изготовленную модель отправляют хирургу, который на ней разрабатывает технологию операции. После чего уже непосредственно приступает к операции на больном. С ИПЛИТом сотрудничают 58 клиник. Сейчас перед нами стоит задача, чтобы аналогичным методом изготавливать уже реальные детали из металлического порошка.
Существует несколько видов аддитивных технологий, использующих металлические порошки. Мы в ВИАМе работаем в двух направлениях.
Первый метод состоит в том, что на рабочую платформу переносят сначала дозу порошкового материала со вспомогательной платформы и разравнивают его с помощью ролика или «ножа», создавая таким образом ровный слой материала определенной толщины. Затем выборочно в соответствии с текущим сечением математической модели детали порошок обрабатывают лазером, сплавляя частички порошка. Затем вспомогательная платформа поднимается на толщину слоя и процесс повторяется. Эта технология называется «селективный синтез» или «селективное лазерное сплавление». На английском: SLS — Selective Laser Sintering.
Второй вид аддитивных технологий — direct deposition, что можно перевести как «прямое осаждение» материала. Газопорошковая смесь подается коаксиально вдоль оси лазерного луча, непосредственно в точку, куда подводится энергия и где происходит в данный момент построение фрагмента детали. Подобно тому, как сварщик вводит материал электрода в то место, где за счет электрической дуги формируется зона расплава.
В этой технологии главное, что она позволяет практически не ограничиваться в размерах деталей. Современные АМ-машины имеют пятикоординатное управление построением. Три координаты — вращение роботизированной рабочей головки, а в двух координатах перемещается стол.
В обоих случаях процесс изготовления детали начинается с построения компьютерной модели изделия. Затем модель программно рассекается на тонкие слои, чтобы получить информацию о контуре каждого слоя, который воспроизводится уже при изготовлении детали.
Для реализации обеих видов этих технологий необходимо иметь исходные материалы, которые используются в виде порошков, или, точнее, металлопорошковых композиций, AM-машины, математические модели технологических процессов, которые основываются на знании физико-химических процессов, протекающих в ходе изготовления деталей.
— И какова ситуация со всем этим в России?
— Производство порошков — ключевая проблема для аддитивных технологий. Поскольку от качества порошка в первую очередь зависит качество получаемых деталей.
Обычно каждая компания — производитель AM-машин предлагает покупателю и определенный набор порошков, и подробную инструкцию для настройки параметров машины под каждый из материалов, которая является результатом большой исследовательской работы компании. В этих инструкциях не сообщается состав металлопорошковых композиций и все режимы сплавления, потому что все это все является коммерческой тайной. Вы покупаете установку и с ней определенные порошки, и они сообщают о режиме сплавления именно этих материалов. Любые санкции — и все, производство остановилось. Некоторые наши фирмы, купившие за рубежом АМ-машины, а их уже около двадцати, остались без порошков.
Мы в ВИАМе сейчас заняты разработкой технологий изготовления порошков и металлопорошковых композиций, которые позволят нам в том числе избавиться от этой зависимости. И мы уже наладили производство определенных их видов. Я все время говорю о металлопорошковых композициях, потому что в аддитивных технологиях применяются смеси порошков различного размера. Когда мы делаем математическую модель детали, мы рассчитываем, какое соотношение должно быть в композиции фракций разного размера, чтобы обеспечить максимальную плотность упаковки.
— То есть у вас есть установки для этого?
— Так сложилось, что в рамках тех задач, которые были поставлены перед нами указанием президента о создании малотоннажных производств материалов, необходимых для обеспечения выпуска определенных изделий, в ВИАМ нужно было организовать производство припоев. А припои для высокотемпературной вакуумной пайки в основном производятся в виде порошков. Из порошков мы также делаем конструкционную керамику. Требования к этим порошкам очень напоминают требования, предъявляемые к металлопорошковым композициям, используемым при аддитивных технологиях, в том числе по сочетанию фракций разного размера.
Так вот, под нашу технологию получения разных порошков мы спроектировали и изготовили за рубежом, в Англии, на фирме PSI, соответствующую установку — атомайзер. Эта установка позволяет в очень узком интервале размеров получать нужные нам порошки.
Установка для изготовления металлопорошковых композиций (атомайзера) в ВИАМе
Сейчас признано, что эти машины двойного назначения. Из-за этого возникли проблемы дальнейшего сотрудничества с фирмой. Поэтому мы начали прорабатывать возможность их самостоятельно проектировать и изготавливать. Машина состоит из двух частей: плавильной и распылительной. Плавильная часть для нас не представляет проблем, так же как большая часть распылительной. Главная проблема — форсунка распылительного устройства, но нам придется сейчас разработать высокотемпературный материал и технологию изготовления этих форсунок, потому что есть потребность в таких установках и порошках.
Наш опыт, полученный на припоях и керамике, позволил нам сразу приступить к разработке технологии изготовления порошков для аддитивных технологий, причем на тех же установках. Но вначале нужно было создать сами сплавы, из которых получают порошки. На этом этапе, в частности, мы добиваемся, чтобы сплав, используемый для изготовления порошков, не «трещал» при литье и последующем лазерном спекании. Потом из этого сплава нужно сделать металлопорошковую композицию, то есть получить порошки разных размеров и смешать фракции в необходимом соотношении. Мы начали выпускать порошки и уже внедряем их в промышленность в Перми на ОАО «Авиадвигатель» для аддитивного процесса восстановления гребешков бандажных полок лопаток по методу direct deposition. При ремонте подложкой для наносимого материала является поврежденное место детали, контуры которого заранее неизвестны, поэтому вначале восстанавливаемое место лопатки оцифровывается сканером, входящим в состав установки, затем создается его модель, а потом уже на ней дорисовываются части, которые нужно восстановить.
