Сферический порошок в аддитивном производстве

1 Введение

Аддитивные технологии производства (Additive Manufacturing Technologies, AM), или 3D-печать (3DP), - это технология изготовления твердых деталей путем послойного накопления материала на основе трехмерных данных САПР.

Историческое развитие технологии 3D-печати - это процесс непрерывного прогресса и расширения. С первых дней быстрого прототипирования до сегодняшнего дня технология 3D-печати используется в таких областях дизайна и производства, как ювелирный дизайн, дизайн и производство обуви, промышленный дизайн, архитектурный дизайн, инженерное проектирование и строительство, автомобильный дизайн и производство, аэрокосмическая промышленность, стоматология и другие области медицины.

Рис. 1 Широкое применение технологии 3D-печати

2 Технологии аддитивного производства и их историческое развитие

Аддитивное производство (АМ), также известное как 3D-печать, - это передовая технология производства, которая позволяет непосредственно создавать трехмерные объекты путем послойной укладки материалов. С традиционным субтрактивным производством (например, резка) и изоматериальным производством (например, литье) отличается, AM основана на принципе "дискретность - укладка", без необходимости в формах или сложной оснастке, может быть непосредственно на основе цифровой модели для завершения производства, с высокой степенью свободы дизайна, высокой утилизации материалов, и может быть быстро настроены сложные структуры и другие значительные преимущества.

Технология аддитивного производства (AM) особенно хорошо подходит для изготовления очень сложных деталей, которые трудно сформировать с помощью традиционных процессов, и эффективно решает проблемы традиционного производства, такие как низкая производительность, длительные сроки изготовления и высокая стоимость. Ее основное преимущество заключается в том, что она позволяет преодолевать конструктивные ограничения и создавать сложные геометрические формы (например, внутренние направляющие, тонкостенные компоненты) непосредственно с помощью возможностей, близких к чистовой форме, значительно сокращая количество деталей и требования к сборке, одновременно добиваясь оптимизации характеристик (например, облегчения конструкции). Кроме того, AM поддерживает быстрые итерационные циклы "проектирование - отказ - исправление", что значительно сокращает сроки разработки продукта и позволяет экономично производить единичные или снятые с производства детали. Благодаря точной послойной укладке материала технология позволяет сократить отходы материала до менее чем 10 % по сравнению с традиционными процессами (оптимизация соотношения "купи-летай"), что обеспечивает эффективные и гибкие производственные решения для высокотехнологичных применений, таких как аэрокосмическая и ядерная энергетика, при одновременном снижении затрат.

Рис. 2 Новая технология аддитивного производства композитов, разработанная для аэрокосмических конструкций

Технологии аддитивного производства можно разделить на различные типы в зависимости от принципа формирования и свойств материала, в основном это сплавление порошка (например, SLM/EBM), экструзия материала (например, FDM), световое отверждение (например, SLA/DLP) и направленное осаждение энергии (DED). Основной принцип заключается в послойном формировании материалов посредством цифрового моделирования: сначала с помощью автоматизированного проектирования (CAD) строится трехмерная модель и нарезается на двумерные данные о слоях; затем оборудование управляет источником энергии (например, лазером, электронным лучом) или экструзионным устройством в соответствии с данными о слоях, выборочно расплавляя порошок, отверждая смолу или экструдируя термопластичный материал, а затем укладывая их слой за слоем для формирования объекта. Например, технология плавления металлического слоя (SLM) точно плавит металлический порошок с помощью высокоэнергетических лазеров, укладывая слои для формирования деталей высокой плотности, а технология светоотверждения (SLA) использует УФ-лазеры для сканирования жидких фоточувствительных смол и их отверждения для формирования тонких структур. После печати требуется последующая обработка, такая как очистка порошка, термообработка или полировка поверхности, чтобы в итоге получить готовый продукт, отвечающий эксплуатационным требованиям. Весь процесс не требует использования пресс-форм, что позволяет свободно проектировать и эффективно изготавливать сложные геометрические структуры.

Таблица 1 Сравнение EBM и SLM

Процесс аддитивного производства (AM) начинается с этапа проектирования и предварительной обработки, охватывающего весь спектр подготовки от анализа структуры детали, проверки модели до планирования компоновки сборки, в котором оптимизация путей генерации поддержки и нарезки модели напрямую определяет точность и эффективность последующего производства. Дизайн материала должен быть тесно согласован с характеристиками металлического материала, например, гранулометрический состав и текучесть порошка напрямую влияют на качество его нанесения. После изготовления последующая обработка включает удаление порошка, термообработку для устранения остаточных напряжений, удаление опорной конструкции и разделение пластин, а затем точную механическую обработку (например, сварку, полировку) и тщательные испытания (например, неразрушающий контроль) для обеспечения соответствия детали стандартам обслуживания. Этап сборки объединяет проверочные испытания и металлургическую сертификацию для формирования полной программы производства деталей со специализированными процессами нанесения покрытий (например, термобарьерных) для повышения термостойкости и устойчивости к окислению, особенно для высокотемпературных сред. Весь процесс основан на итеративном жизненном цикле для постоянной оптимизации параметров процесса и свойств материала, например, в соответствии с моделью, предложенной Gradi et al. (2021), а благодаря циклу "проектирование-изготовление-испытание-улучшение" может быть достигнут плавный переход от прототипирования к серийному производству, что в конечном итоге обеспечит надежность и долговечность AM-детали в экстремальных условиях эксплуатации. Надежность и долговечность деталей AM в экстремальных условиях эксплуатации.

В 1980-х годах технология 3D-печати только зарождалась. Этот этап технологии был известен как быстрое прототипирование (Rapid Prototyping), и его основная концепция заключалась в послойной печати объектов на основе цифровой модели для быстрого создания прототипов. Технология начала развиваться в середине 1990-х - начале XXI века и стала применяться не только в промышленном дизайне, моделировании и прототипировании, но и начала проникать в медицину, авиацию, автомобилестроение и архитектуру. После вступления в 21 век технология 3D-печати совершила более значительный прорыв, не только способна печатать сложные структуры и точные детали, но и достигла мультиматериальной, многоцветной печати. Это делает применение 3D-печати в производстве, медицине, аэрокосмической промышленности и многих других областях более широким и глубоким.

Рис. 3 Технология аддитивного производства

3 Сферический порошок: Основной материал и ключ к развитию технологии аддитивного производства

Сферические порошки - это порошки металлов или сплавов, приготовленные с помощью передовых процессов с практически идеальной сферической или сфероидальной морфологией частиц, и считаются "золотым стандартом" в области аддитивного производства (АМ). Основное преимущество этого типа порошка обусловлено его уникальными физическими свойствами: высокая сферичность (коэффициент сферичности близок к 1) позволяет равномерно распределять порошок в процессе растекания, значительно снижая межслойную пористость; отличная подвижность обеспечивает быстрое заполнение порошком сложных полостей или тонких структур, повышая эффективность печати; в то же время строгий контроль низкого содержания кислорода (например, порошки титановых сплавов с содержанием кислорода менее 0,15%) позволяет избежать негативного влияния примесей на механические свойства деталей. Строгий контроль низкого содержания кислорода (например, содержание кислорода в порошке титанового сплава менее 0,15%) позволяет избежать негативного влияния примесей на механические свойства деталей. Кроме того, благодаря узкому распределению частиц по размерам (например, 15-60 мкм для технологии лазерного селективного плавления), сферический порошок может удовлетворить специфические потребности различных процессов аддитивного производства в размерах материала, закладывая основу для высококачественного формования.

Сферические порошки играют незаменимую роль в технологии аддитивного производства. Их высокая текучесть и однородность непосредственно определяют плотность и производительность напечатанной детали - например, использование сферических порошков титанового сплава (например, Ti-6Al-4V) в процессе лазерного сплавления в порошковом слое (LPBF) приводит к плотности детали 99,9%, эффективно снижая трещины и остаточные напряжения. Это свойство материала также дает технологии AM возможность преодолеть традиционные производственные ограничения: от охлаждающих бегунков внутри лопастей авиадвигателя до пористой структуры персонализированного костного имплантата в медицине - сферические порошки позволяют свободно создавать сложные геометрические формы, оптимизированные как с точки зрения функциональности, так и с точки зрения малого веса. В то же время характеристики послойной укладки в технологии AM в сочетании с эффективными характеристиками наполнения сферических порошков позволяют повысить коэффициент использования материала более чем до 90 %, значительно сокращая производственные затраты и потери ресурсов. В аэрокосмической промышленности лопатки турбин, изготовленные из сферических высокотемпературных сплавов (таких как Inconel 718), могут выдерживать экстремальные условия эксплуатации при температуре более 1000 градусов Цельсия; в медицинской промышленности биосовместимые порошки титановых сплавов используются для массового производства стандартизированных имплантатов по технологии электронно-лучевого плавления (EBM) по цене на 80 % ниже, чем при традиционных процессах.

Рис. 4 Сферический порошок на основе титана TC4 (Ti-6Al-4V)

Процесс подготовки сферического порошка напрямую определяет его качество и стоимость. В настоящее время основными технологиями являются аэрозолизация, метод плазменного вращающегося электрода (PREP) и высокоэнергетическая плазменная сферонизация (HEPS). Метод аэрозолизации с помощью высокоскоростного воздушного потока жидкого потока металла, разбитого на микрокапли и охлажденного в сферический порошок, занимает более 80% доли рынка, но контроль содержания кислорода и стоимость оборудования по-прежнему являются узкими местами; технология PREP с помощью вращающегося электрода плазменной плавки позволяет получить порошок высокой чистоты, особенно для титана и других реактивных металлов, но высокое энергопотребление ограничивает масштаб применения. В последние годы появление технологии HEPS через плазму неравномерного порошка для второй сферической обработки не только улучшило качество переработанного порошка, но и достигло 100% переработки титановых отходов, способствуя экологизации производства. Однако отрасль по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами: зависимость от импорта высококлассного оборудования для распыления привела к низкому выходу порошков отечественного производства (менее 80% для титанового порошка), а колебания в гранулометрическом составе и содержании кислорода в порошках могут привести к изменению характеристик деталей от партии к партии, что особенно важно для аэрокосмической отрасли и других областей с высокими стандартами.

Хотя высокая текучесть и равномерное распределение сферических порошков обеспечивают высококачественную основу для аддитивного производства (AM), шероховатость поверхности после печати (значение Ra обычно составляет 5,5-8,9 мкм) все еще нуждается в оптимизации с помощью технологии постобработки, чтобы соответствовать функциональным требованиям в экстремальных условиях работы. Если взять в качестве примера вольфрамовые детали, сформированные методом лазерного порошкового наплавления (L-PBF), то шероховатость поверхности в вертикальном направлении (Ra 5,5 мкм) значительно ниже, чем в наклонном направлении (например, Ra 8,9 мкм для поверхности, направленной вниз под углом 45°), что требует сочетания с химико-механической полировкой (CMP) или электрохимической полировкой для снижения значения Ra до менее чем 1 мкм, что позволяет уменьшить концентрацию напряжений и повысить усталостную прочность. Кроме того, технологии нанесения защитных покрытий необходимы для работы в условиях высоких температур и коррозии: внешние поверхности могут быть покрыты диффузионными покрытиями из феррохром-кремниевого шлама, которые спекаются при высоких температурах, образуя плотный оксидный слой с термостойкостью до 1300°C, а внутренние сложные проточные каналы - технологией термического напыления MoSi₂, которая повышает стойкость к окислению, сохраняя при этом геометрическую точность. Такая обработка поверхности не только компенсирует ограничения, связанные с собственной шероховатостью AM, но и способствует повышению надежности в таких высокотехнологичных областях применения, как аэрокосмические сопла и компоненты ядерных реакторов, благодаря синергетическому эффекту со сферическими порошками (например, узкий гранулометрический состав для снижения потерь при полировке).

Рис. 5 Лазерное сплавление в порошковом слое

4 Различные типы сферических порошков для различных технологий и областей применения аддитивного производства

4.1 Селективное лазерное плавление (SLM): Новатор в области прецизионного производства

Селективное лазерное плавление (SLM) использует высокоэнергетические лазеры для послойного расплавления металлических порошков, специализируясь на высокоточном формовании сложных структур, особенно для изготовления небольших прецизионных деталей. К характеристикам порошка предъявляются жесткие требования: размер частиц должен контролироваться на уровне 15-60 мкм, сферичность - выше 0,9, содержание кислорода - ниже 0,15 %, отсутствие полых порошков - для обеспечения стабильности бассейна расплава и плотности деталей. Например, в аэрокосмической отрасли лопатки авиадвигателей из титанового сплава (например, Ti-6Al-4V), изготовленные по технологии SLM, достигают снижения веса на 30% при сохранении высокотемпературной прочности за счет дизайна внутренней сотовой структуры; а в медицинской области персонализированные ортопедические имплантаты из титанового сплава, напечатанные по технологии SLM, сокращают цикл восстановления пациента за счет пористой поверхности, способствующей росту остеобластов.

Рис. 6 Селективное лазерное плавление (SLM)

4.2 Электронно-лучевое селективное зонное плавление (EBSM): Эффективное решение для крупногабаритных деталей

Электронно-лучевое селективное плавление (EBSM) использует высокую проникающую способность высокоэнергетического электронного луча и подходит для быстрого изготовления крупногабаритных толстослойных деталей. Порошки должны иметь большой диапазон размеров частиц (45-105 мкм), высокую насыпную плотность и отличную термостойкость. Типичные примеры включают изготовление крупных несущих рам в аэрокосмической промышленности - на примере несущей рамы из титанового сплава для истребителя J-31 технология EBSM позволила увеличить коэффициент использования материала в 5 раз, значительно сократив отходы сырья. Кроме того, в автомобильной промышленности технология EBSM в сочетании с порошком медного сплава (например, CuCrZr) используется для производства высокоэффективных теплоотводящих компонентов, а благодаря оптимизации конструкции проточных каналов эффективность теплоотвода двигателей электромобилей увеличилась на 40 %.

Рис. 7 Электронно-лучевое селективное зонное плавление (EBSM)

4.3 Лазерное осаждение плавлением (LMD): мощный инструмент для ремонта и упрочнения крупных деталей

Лазерное осаждение плавлением (LMD) используется для быстрого ремонта или укрепления поверхности крупных деталей путем одновременной подачи порошков с помощью высокоэнергетического лазера. Технология требует высокой текучести порошка с размером частиц 90-250 мкм и высокой чистоты, чтобы гарантировать эффективность плакирующего слоя. В аэрокосмической отрасли технология LMD используется для ремонта изнашиваемых деталей турбинных лопаток, благодаря градиентному дизайну материала (например, сплав на основе кобальта и композитные покрытия из карбида вольфрама) продлевает срок службы лопаток в три раза; в тяжелом машиностроении технология LMD применяется непосредственно для формовки корпуса большого гидравлического клапана, благодаря интегрированному дизайну внутреннего бегунка для уменьшения монтажного интерфейса, снижая риск утечки до 70%.

Рис. 8 Лазерное осаждение плавлением (LMD)

4.4 Межотраслевые применения: Проникновение технологий от передовых аэрокосмических технологий до бытовой электроники

Аэрокосмическая промышленность: Технологии SLM и EBSM объединяют сферический титановый порошок и порошок высокотемпературного сплава для облегчения веса и создания инновационных конструкций. Например, в камере сгорания ракеты определенной модели используется технология SLM для интеграции более 200 охлаждающих канавок с термостойкостью свыше 1 200℃.

Медицина и здравоохранение: Технология EBSM использует биосовместимый титановый порошок для массового производства стандартизированных ортопедических имплантатов, снижая затраты на 80 % по сравнению с традиционными процессами и достигая быстрой послеоперационной остеоинтеграции благодаря пористой структуре.

Потребительская электроника: титановый порошок с малым размером частиц (<30 мкм) готовится по технологии HDH (гидрогенизированное дегидрирование) и высокоэнергетической плазменной сферонизации (HEPS) для 3D-печати средних рамок мобильных телефонов из титанового сплава с выходом более 80%, с учетом требований прочности и тонкости, для удовлетворения потребностей Apple, Huawei и других моделей высокого класса в массовом производстве.

5 Будущие тенденции: Инновации в области материалов и устойчивое развитие

В настоящее время, несмотря на то, что технология аддитивного производства достигла прорывного применения в аэрокосмической, медицинской и других областях, она по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как ограничение характеристик материала, высокая стоимость процесса и устойчивость ресурсов. Например, обычный порошок титанового сплава подвержен ползучести и деформации в условиях экстремально высоких температур (>1000°C), а традиционная технология переработки отходов порошка имеет коэффициент повторного использования менее 50% из-за проблем с окислением. В этом контексте инновации в области материалов и интеллектуальные процессы стали ключом к разрушению льда: суперсплав GRX-810, разработанный NASA, в три раза увеличил свою прочность по сравнению с обычными сплавами на основе никеля при температуре 1200°C благодаря технологии дисперсионного упрочнения оксидов (ODS), что открывает возможности для создания камер сгорания многоразовых ракетных двигателей следующего поколения; в то же время системы оптимизации процессов на основе искусственного интеллекта (например, Siemens AM Monitor) с помощью реальных технологий.Например, Siemens AM Monitor) в режиме реального времени отслеживают морфологию расплавленного бассейна и распределение теплового поля, динамически регулируют мощность лазера и траекторию сканирования для снижения пористости деталей с 2 % до менее чем 0,5 %.

С точки зрения устойчивого развития, технология высокоэнергетической плазменной сферонизации (HEPS) позволяет достичь 100 % переработки титанового лома в высокочистый сферический порошок, что в сочетании с масштабированием оборудования (например, лазеры ATLAS компании GE Additive поддерживают печать деталей размером 1 метр) способствует недорогому производству крупных аэрокосмических деталей (например, 40-дюймовых ракетных сопел). Более перспективная область - производство на месте в космосе (ISAM) - изучает использование оксидов металлов в лунном грунте (например, ильменита) для непосредственного получения сферических порошков. В рамках проекта ЕКА "PROSPECT" из смоделированного лунного грунта были успешно извлечены титановые порошки. В будущем возможно реализовать на лунной поверхности 3D-печать радиационной защиты капсулы и баков для хранения топлива, что значительно снизит стоимость транспортировки материалов для освоения дальнего космоса.

От лаборатории к индустриализации, аддитивное производство - это диверсификация материалов, интеллектуальность процессов и замкнутый цикл реконструкции ресурсов высокотехнологичной производственной парадигмы, а сферический порошок, как основной носитель этих изменений, будет продолжать вести за собой расширение технологических границ.

Рис. 9 Будущее технологии 3D-печати

6 Заключение

Являясь краеугольным камнем технологии аддитивного производства (АМ), сферические порошки стали ключевым материалом для преодоления традиционных производственных границ благодаря своей высокой сферичности, отличной текучести и низкому содержанию кислорода. От прецизионных аэрокосмических лопастей с помощью лазерного селективного зонного плавления (SLM) до крупных аэрокосмических конструкционных деталей с помощью селективного зонного плавления электронным лучом (EBSM) и тяжелых механических ремонтов с помощью лазерного наплавления (LMD) - сферические порошки значительно улучшили плотность, вес и функциональную интеграцию деталей благодаря точной адаптации к требованиям различных процессов (например, диапазон размеров частиц, термическая стабильность). В аэрокосмической области, титановый сплав и высокотемпературный порошок сплава, чтобы помочь камеры сгорания интеграции более 200 охлаждающих бегунов, термостойкость превысила 1200 ℃; в медицинской области, пористые имплантаты титанового сплава через биосовместимость дизайн для содействия персонализированного лечения; бытовая электроника полагаться на малый размер частиц титанового порошка для достижения высокой эффективности средней рамы массового производства сотовых телефонов, выход более 80%.

Тем не менее, отрасль по-прежнему сталкивается с высокими затратами на подготовку (например, оборудование для плазменной сферонизации зависит от импорта), колебаниями характеристик порошка (контроль содержания кислорода и распределения частиц по размерам), а также отсутствием стандартизации и другими проблемами. В будущем инновации в области материалов и интеллектуальные технологии станут основой прорыва: Суперсплав НАСА GRX-810 укрепляется за счет дисперсии оксидов, а высокотемпературная прочность повышается в два раза; система оптимизации процесса, управляемая искусственным интеллектом, позволяет регулировать параметры плавильного бассейна в режиме реального времени и снижать пористость до уровня менее 0,5%. С точки зрения экологичности, технологии переработки отработанного порошка (например, HEPS) и масштабирование оборудования (например, печать деталей размером 1 метр) способствуют революции в эффективности использования ресурсов, а производство на месте в космосе (ISAM) открывает возможности для освоения дальнего космоса "на месте" путем извлечения титанового порошка из лунного грунта.

От лабораторий до индустриализации аддитивное производство перестраивает парадигму высокотехнологичного производства с помощью диверсификации материалов, интеллектуальности процессов и замкнутого цикла использования ресурсов. Сферический порошок, как основной носитель этих изменений, является не только краеугольным камнем технологических прорывов, но и ключом к продвижению модернизации аэрокосмической отрасли, медицины и здравоохранения, а также "зеленой" энергетики. По мере углубления глобального сотрудничества в области НИОКР и инноваций в промышленной цепочке технология AM будет ускоряться на пути к более эффективному и устойчивому будущему, придавая человечеству новые силы для освоения экстремальных сред и реализации концепции Индустрии 4.0.

Связанное чтение:

Спутниковые явления в металлическом порошке: Глубокое погружение в проблемы аддитивного производства

Сферические порошки, атомизированные газом: Решение технологических и практических проблем