Печать из металла: как работает 3D принтер на физфаке
За территорией ВМК, где-то между криогенным корпусом и поликлиникой спрятаны небольшие одноэтажные корпуса – вы наверняка проходили мимо. В одном из этих зданий установлен промышленный 3D-принтер, печатающий сложные металлические детали. Прибор стоит в ЦКП Технологии и Инжиниринга и относится к физическому факультету МГУ – о нём пойдёт речь в нашей новой статье.
Установка появилась в 2019 году, её официальное название: 3D Systems ProX DMP 300. Принтер занимает отдельную комнату, а 3D печать в нём осуществляется с помощью лазерного сплавления слоёв металлического порошка. Для печати используется широкий спектр материалов: это различные виды сталей, титановые сплавы, алюминий, алюминиевые сплавы, медьсодержащие сплавы.
Всё находится внутри
Обычно, когда мы рассматриваем научную установку, мы невооруженным глазом видим её части: тут у микроскопа окуляр, тут у него предметный столик… Но если вы подойдёте к этому 3D принтеру, то глазу не удастся сразу выцепить конкретные детали: большая часть элементов спрятана в огромный корпус-короб.
У ProX DMP 300 всё встроено внутрь – это прибор полного цикла, который позволяет свести на нет взаимодействие человека с металлическим порошком. Металлический порошок используется как «сырьё» для 3D печати деталей, при этом сам порошок может быть взрывоопасен (например, алюминий или титан – всё, что хорошо окисляется). Именно поэтому вся установка выполнена в таком корпусе, что у неё все контакты с порошком происходят внутри, в инертной атмосфере. Это позволяет устанавливать прибор в помещениях, которые не имеют специальных мер обеспечения пожаро-взрывобезопасности.
Процесс печати: как появляются детали?
Процесс печати происходит внутри корпуса, в специальной изолированной камере с инертной атмосферой. Наблюдать за печатью снаружи можно лишь через небольшое оранжевое стекло размером с лист бумаги. Первые 5 слоев печатаются в ручном режиме для контроля процесса. После 5-го слоя процесс запускается в автоматическом режиме. Тем не менее, оператор регулярно проверяет процесс для того, чтобы убедиться, что все идет хорошо и процесс не требует вмешательства или остановки.
Все изделия печатаются послойно, снизу-вверх:
1) сначала тонкий слой нужного металлического порошка наносится на специальную поверхность-подложку,
2) этот порошок выравнивается специальным уплотняющим валиком, чтобы сделать слой однородным,
3) затем с помощью лазерного излучения порошок сплавляется в местах, которые соответствуют срезу печатаемой детали,
4) платформа с готовым слоем опускается на толщину слоя вниз, после чего наносится следующий слой порошка и цикл повторяется.
Этот метод называется Powder Bed Fusion (PBF) или Selective Laser Melting (SLM). Толщина каждого слоя от 25 до 100 микрон. Наиболее часто используют среднюю величину порядка 40 микрон. Для печати изделий используются сферические порошки с распределение частиц по размерам составляет от 20 до 70 микрон. Подобные порошки изготавливаются методами газовой атомизации либо плазменной сфероидизации.
Для кого печатают?
Когда у индустриальных партнёров университета возникает потребность в тех или иных конструкторских разработках – они обращаются к нашим учёным. Обычно это не просто работа по печати какого-то конечного изделия, а научное исследование с целью разработать режимы печати нового материала или оптимизировать саму форму изделия. Это может быть печать антенн, протезов, глушителей со специфической газодинамикой, двигателей – то есть сложные геометрические объекты, которые нельзя получить другим способом.
Именно сочетание компетенций университета в материаловедении, математических расчетах, электродинамике, газодинамике и прочих делают возможным выполнение сложных комплексных разработок, в которых в том числе используются аддитивные технологии.Выбор материала печати зависит от конкретной задачи. Необходимо понять, какие изделия нужны, с какими свойствами и для каких целей. В случае, когда ни один существующий материал не подходит, может быть поставлена задача по разработке нового сплава или композиции металлических порошков. Иногда материал известен, но для него еще не осуществлялся подбор режимов печати. В обоих этих случаях после выбора материала наступает стадия подбора режимов. Исходная рабочая точка выбирается на базе научной литературы, после чего параметры печати подбираются опытным путем, опираясь на результаты металлографии, механических испытаний и фрактографии изломов по их итогам. Если подобранный материал показывает себя хорошо – можно печатать изделия для заказчика.
Сколько длится печать?
Принтер используется регулярно, потому что постоянно отрабатываются различные особенности печати. Сама печать длится очень долго, от нескольких дней до нескольких недель, каждый слой печатается несколько минут (а слоёв сотни!). Одна только подготовка к запуску – это целая рабочая смена, поэтому запускать принтер чаще раза в неделю не получается. Работа за таким станком требует много сил и времени.
Особенности помещения
Установка весит 5 тонн. Легко догадаться, что своими силами поднять её почти невозможно, даже с гидравликой. Поэтому перевозка принтера в лабораторию была отдельным мероприятием, для которого была вызвана специальная служба.
Для установки принтера была снесена целая стена помещения – ведь устройство таких габаритов по-другому никак не загрузить. А после установки в помещение принтер по сути замуровали – то есть помещение достраивалось вокруг установки. Под принтер сделана специальная яма, куда было залито армированное бетонное основание, был построен отдельный внешний сарайчик для баллонов с газом. А ещё отдельная вентиляция, антистатический пол и специальный тамбур при входе – всё для надёжной и безопасной работы установки.
Прожорливый принтер
Установка потребляет очень много инертного газа для спекания порошков – ведь сам процесс печати происходит в камере с инертной атмосферой. Для обеспечения принтера газом снаружи здания стоит моноблок из 16 баллонов, сваренных между собой, каждый под давлением 300 атмосфер. Эти 16 баллонов принтер «съедает» примерно за две недели непрерывной работы.
В процессе работы инертный газ частично выбрасывается в комнату, поэтому в помещении идёт плавное понижение уровня кислорода. Для контроля за кислородом в комнате висит специальный датчик: если уровень падает ниже 20%, то срабатывает система оповещения, чтобы оператор был в безопасности.
Пол в помещении выполнен в антистатическом исполнении на случай, если оператор случайно просыпал порошок. Само помещение регулярно моется, чтобы предотвратить накопление порошка. Работа в помещении проходит в респираторе – ведь порошок опасен для здоровья и дышать им нельзя.
Контроль качества
В лаборатории помимо сложных геометрических объектов и новых деталей можно обнаружить несколько практически одинаковых напечатанных образцов. Они выглядят как набор простых геометрических форм и объектов: пирамида, угол, ступеньки, трубки под разными углами, одиночные стенки, ячеистые структуры. Такие геометрические «палитры» печатаются в качестве тестовых образцов рядом с основной крупной деталью. Именно по ним смотрят: всё ли прошло нормально? Например, так учёные могут понять, на каких структурах при печати есть проблемы и исправить это при следующем запуске.
Безусловно, у каждого материала печати есть свои особенности. Поэтому учёные очень тщательно анализируют проблемы и подбирают нужные условия для каждого объекта. Например, есть проблемные сплавы, которые при спекании разлетаются. Там появляется много гари, копоти, ослабляется связь между слоями – всё это нужно учитывать в при подборе параметров печати.
В устранении проблем помогает опыт и широкая сеть контактов. Учёные консультируются с коллегами с химфака, с механико-математического и физического факультетов, а также своими промышленными партнерами. После печати образцов при необходимости проводится металлографический анализ, механические испытания, фрактографический анализ изломов, рентгеноспектральный микроанализ и прочие. Например, по итогам металлографического исследования оценивается пористость изделия, и в случае, если они высокая, то параметр печати корректируются. Такого рода обратная связь помогает оптимизировать технологию печати для каждого материала.
Возможности для студентов
С технологической точки зрения печать металлом – одна из самых сложных, дорогих и долгих технологий. Именно поэтому на 3D принтере работают в основном сотрудники факультета, студенты самостоятельно не могут запускать установку, у них обычно нет персонального доступа к принтеру. При этом если есть желание, то студенты и аспиранты могут пройти специальное обучение в лаборатории и в перспективе получить возможность работать с принтером.
Лаборатория всегда открыта для заинтересованных студентов. Если вы заинтересовались деятельностью центра, приходите по средам с 13:00 по 18:00 по адресу Ленинские горы 1с17Б, либо пишите на почту info@additiveMSU.ru. Вам расскажут об активных проектах, покажут оборудование, познакомят с командой и предложат научно-прикладные задачи в рамках диплома.
