Взорвать, напечатать, растворить: физики ТГУ придумали технологию печати металлических изделий на обычном 3D-принтере

Аватар пользователя prometey2013

1544533.jpg?updateDate=1675053071
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.
 


 

Авторство: 
Копия чужих материалов

Комментарии

Аватар пользователя Алекша
Алекша(6 лет 3 месяца)

- материаловедение, ау?

- сопромат, ау?

нет, не слышал.

Аватар пользователя VBB
VBB(1 год 5 месяцев)

Так изучите, это не секретные знания древних, все доступно для обычного читателя.

Аватар пользователя Алекша
Алекша(6 лет 3 месяца)

- 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.

Аватар пользователя Medved075
Medved075(6 лет 10 месяцев)

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.

Аватар пользователя Алекша
Алекша(6 лет 3 месяца)

- 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.

Аватар пользователя VBB
VBB(1 год 5 месяцев)

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..

Аватар пользователя Алекша
Алекша(6 лет 3 месяца)

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?

Аватар пользователя Gofasmall
Gofasmall(4 года 3 месяца)

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?


 

Аватар пользователя prometey2013
prometey2013(9 лет 2 недели)

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. 

Аватар пользователя Офисный планктон

Думаю, что деталь не потеряет в объёме, просто появятся пустоты. Деталь станет ажурной.

Аватар пользователя Баян
Баян(6 лет 4 месяца)

Любое спекание подразумевает усадку. Даже для объёмно пористых деталей есть нормативы по усадке.

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(11 лет 6 месяцев)

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...

Аватар пользователя VBB
VBB(1 год 5 месяцев)

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.

Аватар пользователя Homo 2.0
Homo 2.0(11 лет 6 месяцев)

Естественно в общем случае вы абсолютно правы. 

Но пока с аддитивными технологиями каждый изготовитель действует на свой страх и риск.

Аватар пользователя С Правого
С Правого(10 лет 3 месяца)

Здесь томичи намудрили.Простой процесс выгорания связующего давно применяю.  ...не космос))).

Аватар пользователя VBB
VBB(1 год 5 месяцев)

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.

Аватар пользователя tualan05
tualan05(6 лет 5 месяцев)

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.

Я 3D печатью ("классической", полимерами) немного занимаюсь в качестве хобби

Ничего себе хобби. Неужели самолётный двигатель?

Если не секрет, чем занимаетесь?

Аватар пользователя VBB
VBB(1 год 5 месяцев)

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..

Аватар пользователя Lokki
Lokki(9 лет 8 месяцев)

На Хабре недавно было.

Типа стандартно до 20% усадка, по разным плоскостям - разная.

Малоусадочная - около 7%, ± процент-полтора. Также расколбас по осям.

Аватар пользователя VBB
VBB(1 год 5 месяцев)

У FDM это обычное дело, усадка вдоль слоев и поперек разная. Но это и не проблема, значение усадки известно, просто вносятся поправки в модель.

Аватар пользователя Amber_Stallion
Amber_Stallion(9 лет 1 месяц)

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.

Аватар пользователя СибВатник
СибВатник(8 лет 2 месяца)

Простите, а при чем тут вообще титановые порошки в плазме? Тут речь о возможности печати на обычном бытовом 3Д любым металлом.

Аватар пользователя Amber_Stallion
Amber_Stallion(9 лет 1 месяц)

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.

Аватар пользователя kuguar
kuguar(7 лет 11 месяцев)

сварка взрывом, клепка газом, сборка трезвым (с)

терзают смутные сомнения о прочности подобного решения. Если уж спекать надо - литейка как-то надежнее.

Аватар пользователя С Правого
С Правого(10 лет 3 месяца)

..."растворение спиртом" упустили самое важное)).Разлить и растворить(ч)))).

Аватар пользователя kuguar
kuguar(7 лет 11 месяцев)

Блин, вот оно, главное преимущество технологии!

«зеленую деталь» помещают в растворитель (ацетон или спирт, в зависимости от первоначального состава гранул)

это же сколько спирта бесконтрольно можно списать 

Аватар пользователя Russo_Turisto
Russo_Turisto(5 лет 10 месяцев)

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?

Аватар пользователя Понесгор
Понесгор(9 месяцев 2 недели)

Новость хорошая.

А для названия исходников русское слово не придумать?

Аватар пользователя Amber_Stallion
Amber_Stallion(9 лет 1 месяц)

Это не инновационно. Стартап с русским названием не стартапается.

Аватар пользователя Галс
Галс(7 лет 10 месяцев)

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.

Аватар пользователя Галс
Галс(7 лет 10 месяцев)

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.

Аватар пользователя С Правого
С Правого(10 лет 3 месяца)

Пользуюсь такими порошками в частности металлоглиной ))).

Аватар пользователя новичок 23
новичок 23(1 год 3 недели)

А для названия исходников русское слово не придумать?

Да рази можно с фидстоками так делать, вы что. Это ж сразу изюминка фирмовой загадочности исчезнет.  

Аватар пользователя CatOwner
CatOwner(7 лет 2 месяца)

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. 

Аватар пользователя С Правого
С Правого(10 лет 3 месяца)

Обычные лампочки накаливания при перегорании в колбе оставляют порошок.Оказывается это вольфрам нанокристаллический))).Фидсток хорошо,а олени литьё лучше-уже давно освоенные технологии с порошками металлов и связующим.

Аватар пользователя Medved075
Medved075(6 лет 10 месяцев)

в чем проблема печатать металлом методом электролиза*? тоесть деталь печатать в электролите. сопло будет выглядеть несколько иначе, но и греть ничего не нужно.

Аватар пользователя новичок 23
новичок 23(1 год 3 недели)

 Электролизом можно, но это намного дольше и с наскока не получится. Возможно понадобится несколько сопел. Нужны опыты. Много. 

Аватар пользователя Upgrade
Upgrade(2 года 9 месяцев)

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.