3D взмывает ввысь: создан новый композит для аэрокосмоса, снизивший массу деталей на 20%

    Аддитивное производство металлических деталей становится все более востребовано, и неудивительно: по сравнению с традиционными промышленными технологиями, такими как литье, порошковая металлургия и механическая обработка, «аддитивка» позволяет создавать детали сложной формы, снижать вес детали за счет оптимизации конструкции, увеличивать прочность, а также быстро «выращивать» мелкосерийные детали сложной формы.

    Одно из самых востребованных направлений аддитивных технологий – 3D-печать композитов для аэрокосмоса. В основном для производства деталей летательных аппаратов используется титан. Он прочный, коррозионностойкий, устойчивый к нагрузкам… НО: титан очень плотный, следовательно, тяжелый, поэтому как бы хорош он ни был, требуется искать альтернативу. Ученые НИТУ «МИСиС» нашли ее – и это алюминий. Но как же, он ведь гораздо менее прочный? О том, почему это больше не проблема, и при чем тут 3D-технологии – в нашей статье.

    SLM

    Образцы изделий, полученных одним из методов аддитивного производства – SLM (о нём также ниже)

    Ученые НИТУ «МИСиС» под руководством профессора, д.т.н., Александра Громова разработали метод 3D-печати алюмоматричных (на основе алюминия) композитных материалов с упрочняющими керамическими наполнителями (оксид и нитрид алюминия). Используя метод селективного лазерного плавления (SLM), исследователи получили композиты, на 20% более прочные по сравнению с образцами из чистого алюминия.

    SLM – это технология 3D-печати, при которой металлический порошок плавится лазерным лучом. Для начала создается 3D-модель изделия. Затем она делится на 2D-слои, которые печатаются последовательно один на другой. На особую платформу наносится тонкий слой порошка, затем лазер сплавляет 2D-модель по контурам, платформа опускается, поступает новый слой порошка, и цикл продолжается.

    3-D

    Исходное сырьё, использованное учеными

    «Для 3D-печати алюминиевых деталей в качестве исходного сырья преимущественно используются так называемые силумины (сплавы алюминия с кремнием, в частности, соединение Al-Si-10Mg), – рассказывает руководитель проекта Александр Громов. – Однако запросы авиакосмической промышленности растут, и во всем мире сейчас активно ведутся поиски новых составов алюмоматричных композитов (в том числе модифицированных, легированных) для получения деталей с улучшенными эксплуатационными характеристиками (прочностью, твердостью, стойкостью к образованию трещин) и низкой стоимостью по сравнению с содержащими редкоземельные элементы сплавами».

    Ученым НИТУ «МИСиС» удалось повысить прочность алюминиевых порошков благодаря упрочнению керамическими добавками непосредственно в процессе 3D-печати (так называемое модифицирование in situ). Ранее считалось, что получение таких композитов на принтерах типа SLM невозможно, для этого нужны специальные, уникальные 3D принтеры. Однако группе удалось создать опытные партии нового порошкового материала на обычном принтере SLM-280 HL.

    3-D-SLM

    Фото принтера SLM-280 HL

    Предложенные методы получения 3D изделий из алюминиевых композитов с улучшенными свойствами повышают гибкость их проектирования, сокращают сроки изготовления функциональных прототипов, снижают массу получаемых деталей на 10-20 %.

    В настоящее время научный коллектив завершает серию лабораторных испытаний полученной партии материала. В ближайшем времени исследователи приступят к следующему этапу проекта – получению первых образцов деталей из полученного алюминиево-керамического порошка.

    Исследование ведется в рамках гранта Российского научного фонда, результаты первого этапа опубликованы в журнале Materials.
    НИТУ «МИСиС»
    Образование и наука

    Комментарии 32

      +4
      создан новый композит для аэрокосмоса, снизивший вес деталей на 20%

      получили композиты, на 20% более прочные по сравнению с образцами из чистого алюминия

      Заголовок про вес, статья про прочность. Непонятно будет ли на 20% более прочный аллюминий способен заменить титан

        0
        А нужен ли везде титан? Целесообразно ли использовать именно его?
          +2
          В основном для производства деталей летательных аппаратов используется титан. Он прочный, коррозионностойкий, устойчивый к нагрузкам… НО: титан очень плотный, следовательно, тяжелый, поэтому как бы хорош он ни был, требуется искать альтернативу. Ученые НИТУ «МИСиС» нашли ее – и это алюминий. Но как же, он ведь гораздо менее прочный?

          Не знаю, статья описывает новый алюминий как замену титану без потери прочности, хотя никаких подтверждений этому не указано

            +4
            у титана 4,4 г/см3- это не так чтобы сильно тяжелый или плотный металл. Прочность у него 70-100 кг/мм2 (у стали около 160), получается, титан в два раза легче железа, и в два раза менее прочный, то на то и выходит, но он еще и пластичный, вязкий, хорошо гнется и не так склонен к трещинам, как сталь, и коррозионно-стойкий, и не магнитный. А вот у алюминия предел прочности порядка 10 кг/мм2 при плотности 2,7 г/см3, то есть, алюминий в полтора раза легче титана, и в 7-10 раз менее прочный. И по отношению прочности к массе почти любой сплав алюминия лучше чистого. И главная фишка работы- это то, что они на чужом «консьюмерском» принтере смогли распечатать композит, на который принтер (да и технология вообще) изначально не рассчитаны (а рассчитаны принтеры несколько другой ценовой категории и с некоторыми ограничениями на поставку в страны вероятного противника, а уж тем более- в страны, считающиеся «экзистенциальной угрозой»).
              0
              Прошу прощения, но 10 кг/мм2 — это 100 МПА, относится только к чистому алюминию, обычно все таки используются сплавы, например простейший АМг6 — а у него уже 300МПа
                0
                ну так я и написал:
                по отношению прочности к массе почти любой сплав алюминия лучше чистого
                0
                титан в два раза легче железа, и в два раза менее прочный, то на то и выходит

                Звучит все логично и верно, но вот вспоминаю я стальные карабины и титановые… ну небо и земля же.
                  0
                  пластичный, вязкий, хорошо гнется и не так склонен к трещинам

                  и еще интересный вопрос- а насколько «титановые» карабины вы вспоминаете? ВТ-0? ВТ-6? ВТ-9? ВТ3-1? или вообще сталь легированная с титановым покрытием?
                    0
                    Да и не знал никогда конечно. Только и помню что легче были фактически вдвое от стальных. Когда связку держишь очень чувствовалось.
                  0

                  "Прочность у него 70-100 кг/мм2 "
                  Какая конкретно прочность? На сжатие? Разрыв? Скручивание? Срез?

                    0
                    Sigma.v предел текучести. Который максимальная величина касательных (сдвиговых) напряжений, при которой материал начинает необратимо неограниченно деформироваться. Есть еще Sigma.02, это тоже предел текучести, но он определяется как величина сдвиговых напряжений, после которых остаточная деформация не превышает 0,2% (он несколько ниже, чем sigma.v). А уж в каком Вы процессе будете достигать предельных сдвиговых напряжений- это Вам виднее. Говорить о прочностях на сжатие, разрыв и кручение имеет смысл материалов типа волокон, композитов или хрупких керамик и стекол, а для металлов- особенности нагружения не особо влияют на поведение. Грубо говоря, стальной болт- что вы его сжимать будете, что растягивать- выдержит примерно одинаковую нагрузку, в отличие от веревки, например, или от доски (особенно поперек волокон).
              0
              Предпоследний абзац, про массу там:

              Предложенные методы получения 3D изделий из алюминиевых композитов с улучшенными свойствами повышают гибкость их проектирования, сокращают сроки изготовления функциональных прототипов, снижают массу получаемых деталей на 10-20%.
              0

              По идее вес многих деталей можно снизить без ущерба для переносимой нагрузки, если правильно их рассчитать и иметь возможность сделать их нужной формы без ограничений технологии. Типичный пример, которому много лет — пустотелая рама велосипеда.


              ИМХО скоро будем получать изделия причудливой формы, основанные на данном подходе.

              +1
              Интересная фраза "… по сравнению с деталями из чистого алюминия".
              Если он не ошибся, то это провал, поскольку дюралюминий сильно прочнее.
              Вот к примеру, АД0 — чистый алюминий. Сравнить можно, например, с Д16.
              Сравнение сплавов алюминия по прочности
              image
                0
                А сделайте серию велосипедных рам по этой технологии. Чтобы получились легче лучших применяемых сегодня (качественный карбон или баттированный гидроформованный титан). А также вилку, подседельный штырь и в будущем ободья колёс и прочие велокомпоненты. Хотя бы как прототип-демонстратор технологий, а потом и для спортсменов и богатых понторезов на продажу.
                  0

                  Рамы бестолково, мне кажется, там всё равно баттированные трубы получатся. Дропауты, шатуны, выносы, корпуса втулок — более реально выглядит.

                    0

                    Как поведёт себя силуминовый шатун при ударе об камень? Или просто под резкой нагрузкой? Из статьи так и непонятно до конца — это силумин, но как-то улучшенный?

                      0

                      Судя по публикации (если я правильно её нашёл), это алюминиевый порошок, обработанный для получения оксидной плёнки и сплавленный, без кремния.

                  0
                  2 mperemitina: разрешите спор, эти технологии ближе к расплавлению или к спеканию порошка?
                    0
                    эта технология позволяет и спекать, и плавить- подкручиваем мощность лазера, и от спекания плавно переходим к сплавлению. Но название машины SLM-280 как бы намекает, что это Selective Laser Melting- сплавление.
                      0
                      Большой спасиб

                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                  Самое читаемое