Телефон/факс 8 (351) 729-93-93

Лазерные технологии, лазерная резка, гидроабразивная резка, гибка металла, плазменная резка

РусскийEnglishFrançaisDeutsch

Опубликовано 31 Янв 2012

Лазерное сплавление металлических порошков

порошковая металлургия

Специалисты ЮУрГУ исследуют возможности лазерного сплавления металлических порошков.

Два года назад на базе Южно-Уральского государственного университета был создан Научно-образовательный центр «Машиностроение и металлургия».
Проект реализован в рамках Инновационной образовательной программы «Энерго-  и ресурсосберегающие технологии». Основная цель – подготовка специалистов для разработки новых технологий в области машиностроения и металлургии.

В стиле лазерных технологий

Конечно, далеко не каждый вуз располагает такими техническими возможностями. Научно-образовательный центр оснащен суперсовременным оборудованием производства Японии, Германии, Австрии и США. Очень интересные исследования ведутся на лабораторной установке для лазерного сплавления порошковых материалов «Sinterstation Pro DM125 SLM System» (США). Здесь изготовлены изделия, способные заинтересовать отечественную медицину, и это – исключительно новаторская разработка.

порошковая металлургия

Установка для лазерного сплавления порошковых материалов «Sinterstation Pro DM125 SLM System»

- С помощью установки селективного лазерного сплавления мы делаем вещи, достаточно интересные как для промышленности, так и для других сфер,  – объясняет Владимир Алексеевич Смирнов, директор НОЦ «Машиностроение и металлургия», доцент кафедры автоматизации механосборочного производства, кандидат технических наук. – Эта установка позволяет путем послойного наплавления с помощью лазерного луча формировать металлические детали из порошков. Есть ряд порошковых материалов, сертифицированных под эту машину, это порошки чистого титана, титаносодержащих сплавов, алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, медных сплавов. Мы работали пока только с нержавеющей сталью и титаносодержащим сплавом.

- Как работает эта машина?

- Принцип работы довольно прост. В машине на специальную площадку помещается слой порошка толщиной примерно в одно зерно: 0,05 миллиметра. Затем на порошок направляется лазерный луч мощностью 220 Вт, он  производит сплавление именно в тех местах, в которых нам требуется. Процесс осуществляется в инертной среде – в аргоне, чтобы исключить реакции окисления металла. После того, как произведено сплавление в первом слое, платформа опускается, наносится новый слой материала, и процесс повторяется. Таким образом, изделие наращивается слой за слоем, высота его может быть разной. Согласно техническим характеристикам установки, общая рабочая зона составляет 125 на 125 миллиметров, но таких параметров мы пока не задавали.

Должен сказать, это оборудование мы специально приобретали с возможностью как можно большего количества настроек, вмешательства в процесс сплавления – чтобы оно отвечало нашим научным потребностям. В результате получены довольно интересные вещи. Например, мини-копия турбинки. Это так называемая сложно-профильная деталь. Видно, что у неё каждый лепесточек имеет свою пространственную форму, но для нас главное было, что она у нас получилась и не рассыпалась. Толщина каждого лепесточка порядка 0,6 мм. А такие параметры, как твёрдость и прочность, практически такие же, как у деталей, вырезанных из цельного куска металла. Наблюдается повышенная зернистость, это особенности технологии, но сама деталь – сплошная. Если её дообработать (для чего у нас также есть оборудование), её не отличить от деталей, изготовленных любыми другими способами.

- А где это используется?

- Это тестовая деталь. Но турбинки используются в самых разных отраслях промышленности, начиная от автомобильной и заканчивая ракетостроением и авиастроением. Понятно, что у нас стадия опытного производства, мы создаём единичные, экспериментальные образцы. Порошок, который используется в работе, очень дорогой. Конечно, изготовление детали должно быть оправдано: если её нельзя изготовить иным способом, но очень нужно.

порошковая металлургия

тестовая деталь

Революционный имплантат

Лина Николаевна Петрова, является руководителем малого инновационного предприятия, а по учебной части в ЮУрГУ несёт нагрузку старшего преподавателя кафедры автоматизации механосборочного производства, заместителя директора по учебно-методической работе НОЦ «Машиностроение и металлургия». То есть она не только теоретик, но и практик.

- Наше малое предприятие создано на базе Южно-Уральского государственного университета, чтобы внедрять те разработки, которые сделаны в рамках вуза, – рассказывает Лина Петровна. –  Наша специфика – это медицинские технологии. При проведении НИОКР (научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ) мы научились изготавливать на установке «Sinterstation Pro DM125 SLM System» изделие из титаносодержащих сплавов.

- Для чего оно предназначено?

- Это сложно-профильное тонкостенное изделие с заданными характеристиками может быть использовано в реконструктивно-восстановительной хирургии. В настоящее время на рынке медицинских изделий представлены титановые пластины достаточно простых форм, которые в процессе операции могут быть деформированы под нужный профиль. Однако не всегда такой подход может дать желаемый результат. Например, одним из возможных вариантов замещения костно-хрящевой ткани после удаления носа может быть титановый имплантат. Такие работы ведутся совместно с государственным лечебно-профилактическим учреждением «Челябинский областной клинический онкологический диспансер».

-А лазер как в этом участвует?

- Он участвует в технологии изготовления имплантата.

- Власти поддержали ваше новаторство?

-Та работа, которую мы вам показываем, уже дважды поддержана грантами Администрации г. Челябинска. Министерство экономического развития Челябинской области также оказывает поддержку в работе, но немного по другому направлению в онкологии. Для того, чтобы довести проект по имплантатам до стадии коммерциализации, необходимо пройти процедуру сертификации медицинского изделия.

-Что говорят медики?

- Полученные в ходе выполнения НИОКР результаты поддержаны медицинскими работниками. Однако внедрение нового медицинского изделия в клиническую практику требует времени и средств.

Эксклюзивная точность – вещь дорогая

Лазерная установка, о которой мы говорим, стоит порядка 800-900 тысяч евро. Приобретена она в 2009 году, на федеральный грант: вуз предложил интересную тематику, и её поддержали. Тогда и был создан ресурсный центр специальной металлургии, в который вошли установка лазерного сплавления «Sinterstation Pro DM125 SLM System» (США), контрольно-измерительная машина КИМ-1000 (Россия) и другое оборудование.

По словам Смирнова В.А., лазерная установка довольно проста в эксплуатации, самое сложное в ней – электронная начинка: если случится поломка, нужно связываться со специалистами из Англии или США. Наши специалисты работают над усовершенствованием технологии процесса, изменяя режим сплавления материала: мощность, скорость движения лазерного луча. Таким образом, можно влиять на параметры полученного материала.

В качестве наглядного примера мне продемонстрировали опытный образец, состоящий из титановых кубиков с разными физико-механическими свойствами. Даже визуально между ними заметны различия: например, один кубик – наиболее пористый, другой – самый монолитный. И по твёрдости, восприимчивости к механическому воздействию, они тоже отличаются.

Основное направление исследований – получение деталей из порошков с требуемыми свойствами. В вузе имеется машина для получения порошка, есть перспективная технология, позволяющая по заданной рецептуре изготовить порошок, этим занимаются ученые-металлурги.

- Мы решаем сразу две задачи, – продолжает Смирнов. – Это получение детали и обеспечение свойств этой детали, потому что иногда тяжело найти требуемый материал, да ещё в малых количествах. Но мы не собираемся работать на рынок, так как установка предназначена для отработки технологии, это исключительно научная, экспериментальная работа. Предполагается сотрудничество с разработчиками этой машины. Может быть, мы сделаем что-то такое, что их заинтересует.

Собственно, порошковая металлургия в стране развивается давно и успешно, есть разные подходы и способы спекания, машины для восстановления каких-то деталей. Но это – совсем другие классы машин, у них гораздо более низкая точность, более высокая мощность. На лабораторной же установке реализуется новый физический принцип, используется 3D-моделирование. Это позволяет получать сложно-профильные детали, а спектр их применения может быть самым разнообразным.

-Только лазерное излучение создаёт такие возможности?

- Нет, существует отдельный класс конкурирующих, электронно-лучевых машин. Лазер – это источник сфокусированной энергии. Если убрать лазер и поставить электронную пушку, то принцип не меняется, равно, как и стоимость. Машина аналогичного класса стоит примерно миллион евро. У неё свои особенности, она должна работать в вакууме.

-А что предпочтительней?

- Для нас предпочтительней лазер, он вакуума не требует. Аргон приобрести проще, чем создать условия для получения вакуума. Поэтому, выбирая между одной и другой установкой, мы всё-таки остановились на лазерном излучении.

Самое вкусное

-А есть ещё планы и идеи, связанные с использованием этой машины?

- Нам бы эти планы пока воплотить. Мы знакомим людей с этой машиной: студентов, преподавателей, специалистов. Так что если у кого-то ещё какие-то планы рождаются, можно поделиться…

- Студенты часто приходят сюда на экскурсии?

- Приходят не только студенты – с этой установкой познакомились очень многие люди и вне института. Наш центр посетили глава города Челябинска Станислав Мошаров, заместитель председателя Законодательного Собрания Семён Мительман, руководители отраслевых министерств. Даже владыка Феофан, архиепископ Челябинский и Златоустовский, побывал у нас в гостях и проявил неподдельный интерес.

- Самое главное – это наше подрастающее поколение, – продолжает разговор Лина Николаевна. – Это выпускники школ, которые выбирают техническую специальность. У нас постоянно проводятся дни открытых дверей. А что показать будущим абитуриентам, как не самое интересное, самое передовое? Здесь, конечно, глаза горят. Ведь наши дети почти с пелёнок сидят за компьютером, и вот мы им говорим: «Это – ваша разработка, которую вы спроектировали на компьютере, а мы её за несколько часов изготовили на этой установке. Здесь можно сделать детали, из которых соберётся законченное изделие, которое будет работать».

Это всё очень интересно. И когда ребята поступают к нам в вуз, они на первых же курсах бегут сюда и спрашивают: «А вы помните, как вы нам это оказывали? Мы хотим здесь работать».  То есть, это очень хорошая, уникальная и знаковая вещь в нашем университете. Она демонстрирует тот самый передовой подход к новым технологиям, созданию вот таких инновационных изделий, который мы стараемся внедрять. Конечно, студенты самостоятельно на этой машине работать не могут, есть специально обученные специалисты: серьёзная техника требует серьёзного обслуживания. Ну, а всё, что мы можем показать, мы показываем.

- Чего бы вам хотелось от будущего?

-Хотелось бы, чтобы использование передового оборудования стало возможным не только в рамках исследовательского института, но и в условиях производства, на наших предприятиях, чтобы это помогало решать какие-то важные практические задачи. В реалиях российского рынка сдерживающим фактором является довольно высокая стоимость нового оборудования, с этими трудностями многие знакомы, но будем надеяться, что ситуация в будущем изменится.

Римма Галимханова

ХОТИТЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ? звоните: +7 (351) 729 93 93 пишите: lastech08©mail•ru приезжайте: г. Челябинск Троицкий тракт, 9

Один комментарий

  1. Очень хотелось бы узнать, какую роль в этом интересном процессе играет малое инновационное предприятие? Какой она организационно-правовой формы? зачем оно вообще нужно? На каких основаниях она пользуется дорогостоящим государственным оборудованием и ресурсами государственного образовательного учреждения? И собственно говоря куда пойдут деньги, вырученные от продажи результатов НИОКР? Опять в частные карманы?