Последняя «Капля» — новинки «Центротеха» для 3D-промышленности

«Центротех» запустил в промышленную эксплуатацию установку «Капля». На ней производят металлические порошки методом газового распыления расплава. Получается сырье для 3D-принтеров — порошки из алюминиевых и медных сплавов, нержавеющей и высоколегированной стали. «Центротех» планирует поставлять их предприятиям отрасли и сторонним компаниям, занимающимся порошковой металлургией и аддитивными технологиями.

Название установки «Капля» отражает принцип ее работы, но не размер. Высотой она с двухэтажный дом. За производственный цикл, то есть одну плавку, она выдает 30 кг товарного металлического порошка. Обслуживают эту махину всего два человека: оператор и сменный мастер, оба — специалисты по металлургическому литью. Создавал установку по изготовлению металлических порошков для 3D-печати большой коллектив ученых и инженеров. Ее придумали в Уральском федеральном университете, а научно-производственное объединение «Центротех» адаптировало идеи ученых к потребностям своего производства.

Сырье без импорта

Выпуск порошковых материалов для 3D-печати — одно из перспективных направлений развития неядерных бизнесов «Росатома». Отраслевой интегратор по аддитивным технологиям «РусАТ» разработал две модели 3D-принтеров по технологии селективного лазерного плавления металлических порошков, RusMelt 300 Multi Laser и RusMelt 600 Multi Laser. Для них необходимо качественное сырье. Сейчас в рамках нескольких государственных программ по импортозамещению создается отечественная линейка порошковой продукции.

Установка «Капля» состоит из компонентов российского производства. Согласно результатам первых испытаний, по химическим и физическим характеристикам получаемые на ней порошки не уступают зарубежным и отечественным аналогам. На создание «Капли» ушло полтора года. Еще полгода потребовали пусконаладочные работы: на установке отрабатывали технологию производства порошков из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, в итоге получили первые партии образцов товарного качества. То, что продукция пригодна для использования в 3D-печати и имеет нужный гранулометрический и химический состав, текучесть, плотность и форму частиц, подтверждено исследованиями специализированной лаборатории. В ноябре 2020 года порошки отправили на тестовую печать. Испытывать их качество будут в том числе на первом отечественном мультилазерном 3D-принтере, который работает на промплощадке «Центротеха» с 2019 года.

Дождь из нержавейки

«Эта установка — совокупность множества элементов: индукционная печь для плавления шихты, тигель-металлоприемник, форсунка, камера распыления, металлопровод, сборник порошка, а также вспомогательные системы — охлаждения, электроснабжения и подачи газа, вентиляции и обеспечения безопасности работ, — поясняет гендиректор «Центротеха» Илья Кавелашвили. — Принцип действия «Капли» состоит в распылении расплава жидкого металла струей газа: в печи металл плавится, а далее в специальной камере он дробится на капли, которые кристаллизуются в гранулы-шарики».

Оборудование позволяет получать широкий спектр металлических порошков: из алюминиевых и медных сплавов, нержавеющих и высоколегированных сталей. Это материалы для металлических 3D-принтеров и порошковой металлургии в целом.

«Центротех» производит сырье для 3D-принтера, а заказчик сам решает, что конкретно он будет «выращивать», — продолжает Илья Кавелашвили. — Сейчас идет наработка товарной партии порошка 12Х18Н10Т, это заказ «РусАТ». Состав можно поменять, если будет ­потребность».

На установке изготавливают сферические гранулы порошка, их размер варьируется от 5 до 400 мкм, содержание кислорода не более 0,1 %. Низкое содержание кислорода позволяет при «выращивании» детали на 3D-принтере получать изделие с минимальным количеством дефектов. Локальные образования оксидных пленок в структуре сплава маловероятны. Кроме того, порошок обладает высокой текучестью, а это значит, что его можно использовать не только для селективного лазерного сплавления, но и для других технологий аддитивного производства, например DED (Direct Energy Deposition, плавка лазером) и DMD (Direct Metal Deposition, прямое осаждение металлов), предполагающих прямую подачу металла в область построения детали.

Титан для медиков

«Помимо удовлетворения внутренних потребностей «Росатома» основная цель предприятия — выход вместе с интегратором на внешний рынок, — делится планами Илья Кавелашвили. — Рынок порошков в России очень емкий. Потенциал по увеличению производительности установки есть, и при необходимости мы можем нарастить объемы производства. А если и этого будет мало, построим еще одну «Каплю».

«Центротех» постоянно работает над расширением порошковой линейки. Сейчас специалисты предприятия монтируют лабораторную установку центробежного плазменного распыления «Шайба» для получения титановых порошков. Из-за санкций покупать эту продукцию у иностранных поставщиков стало сложно, поэтому госкорпорация запускает проекты с использованием титановых порошков собственного производства.

«Титановые порошки стоят на верхней строчке по востребованности на рынке, с их помощью изготавливают изделия сложной формы и с высокими требованиями по прочности, износостойкости, надежности. Например, лопатки турбин, форсунки, протезы — все то, что без использования аддитивных технологий производить нерентабельно или вовсе невозможно, — отмечает Илья Кавелашвили. — Принцип работы «Шайбы» следующий: цилиндрическая заготовка титана раскручивается до скорости 40 тыс. оборотов в минуту, а с торца обдувается источником тепла температурой до 5 тыс. °C. На торце заготовки образуется тонкий слой жидкого металла. За счет центробежной силы он перетекает к краю заготовки и срывается с нее в виде пленки и капель. Пленка в полете дробится на капли, они кристаллизуются в шарики и падают вниз. Весь процесс происходит в среде инертной атмосферы аргона и гелия».

Преимущество технологии — возможность получать порошки металлов с гранулами идеальной сферической формы и с низкой долей примесей. Шарики одного размера в порошке подогнаны очень плотно друг к другу, свободного пространства между ними почти нет, благодаря этому при плавлении на принтере не появятся пустоты и поры. А отсутствие дефектов в виде посторонних примесей — основное требование для прочности и долговечности изделия.

На установке «Шайба» будут получать порошки титановых сплавов ВТ6 и ВТ1-0. Они пригодятся в медицине для изготовления протезов, еще одна сфера их применения — ремонт водного транспорта.