Полимер и металл

Аддитивное производство включает в себя далеко не только отдельные аддитивные технологии, а технологические цепочки с десятками этапов. Именно поэтому сегодня отрасль развивается не вокруг отдельных технологий послойного синтеза, а вокруг целых производственных циклов, где каждая стадия влияет на свойства готового изделия.

Подготовка инженера в этой области предполагает работу на стыке всех направлений сразу: от выбора исходного сырья до контроля готовой детали. За внешней простотой аддитивных процессов скрываются сложные инженерные системы, материаловедческие вызовы и мультифизические явления.

Чтобы понять, о чем идет речь, стоит представить сам процесс. Металлический порошок — обычно сферические частицы фракцией 20–60 мкм — наносится тонким слоем на платформу, а лазер или электронный луч сплавляет его точно по контуру будущей детали. Затем платформа опускается, наносится новый слой, и цикл повторяется: изделие собирается слой за слоем, как если бы его лепили из микроскопических капель металла. Толщина слоя — примерно 20–100 мкм, то есть за один проход «добавляется» толщина человеческого волоса. Принципиальное отличие от традиционной механообработки в том, что деталь не вырезается из болванки, а выращивается из порошка. Наиболее распространенный метод такой печати — селективное лазерное сплавление (SLM), при котором лазер полностью расплавляет порошок в инертной атмосфере. После печати обязательна постобработка: удаление поддержек, термическая обработка для снятия напряжений, полировка или мехобработка поверхностей.

Аддитивные технологии для металлов используются там, где к деталям предъявляются самые высокие требования: авиация, двигателестроение, атомная энергетика и космическая отрасль. Значимую роль в развитии этого направления играет Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ), входящий в НИЦ «Курчатовский институт». Институт выпускает около 190 тонн металлопорошковых композиций в год — сплавов на основе никеля, кобальта, алюминия, титана и стали. Важно понимать, что металлический порошок для аддитивных технологий — не отход металлообработки, а специально произведенный высокотехнологичный продукт с определенной сферичностью частиц, узким гранулометрическим составом и низким содержанием кислорода. От качества порошка напрямую зависят пористость и прочность готовой детали, поэтому стандартизация порошков — не бюрократия, а технологическая необходимость. Эти материалы уже применяются при изготовлении компонентов авиационных двигателей ПД-14 и ТВ7-117СТ.

Аддитивные технологии постепенно меняют и космическую промышленность. Например, применение алюминиевого сплава AlSi10Mg позволило сократить цикл изготовления отдельных деталей спутников с нескольких месяцев до нескольких недель. Выигрыш здесь не только в скорости: традиционное литье требует изготовления оснастки, которая занимает месяцы, а 3D-печать идет напрямую от цифровой модели. Для отрасли, где каждая новая конструкция требует длительной подготовки производства, такая экономия времени становится принципиально важной.

В авиации выигрыш носит и конструктивный характер. Аддитивные технологии позволяют делать внутренние каналы охлаждения и полые структуры, которые невозможно получить литьем или фрезеровкой, а также объединять 30–40 деталей в один узел без сварных швов. Для авиадвигателя это означает возможность сделать деталь легче без потери прочности.

Раньше полимерные материалы использовали в основном для макетов и опытных образцов, сегодня же они все чаще применяются для изготовления функциональных деталей.

Одно из наиболее перспективных направлений — армирование полимеров непрерывным углеродным волокном, позволяющее перераспределять нагрузку между полимерной матрицей и армирующим материалом. Такой подход открывает возможности для изготовления легких конструкций, востребованных в авиации и робототехнике.

На данный момент активно ведется работа по стандартизации аддитивных технологий, материалов, методов контроля и т. д. Так, техническим комитетом по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии» был предложен ГОСТ Р 58600-2019, а Росстандарт продолжает расширять систему нормативных документов, регламентирующих требования к порошкам, проволоке и самим технологическим процессам; последние из них вступили в силу с 1 июля 2026 года.

Похожий путь проходят и зарубежные регуляторы. Федеральное авиационное управление США (FAA) и Европейское агентство по безопасности полетов (EASA) с 2018 года совместно разрабатывают подходы к сертификации аддитивных изделий для авиации. При этом акцент постепенно смещается от проверки каждой отдельной детали к подтверждению стабильности всего производственного процесса.

Современное аддитивное производство невозможно разделить на отдельные дисциплины, поэтому инженеру уже недостаточно быть специалистом только по аддитивным технологиям или только по материаловедению. Он должен понимать, как взаимосвязаны все этапы производства и каким образом каждое инженерное решение влияет на свойства конечного изделия. На практике это означает, например, умение оценить, как параметры лазерного сплавления — мощность, скорость сканирования, шаг между проходами — влияют на остаточные напряжения и деформацию детали, и компенсировать эти деформации еще на этапе цифровой модели. Или понимать, почему для одной и той же детали из титана и из никелевого сплава нужны разные стратегии построения и разная постобработка.

Именно на таком принципе, например, построена программа специализированного высшего образования «Аддитивные технологии» в НИТУ МИСИС, реализуемая в рамках пилотного проекта по изменению уровней высшего образования. Студенты последовательно изучают полный цикл аддитивного производства — от выбора материалов и проектирования изделий до постобработки, контроля качества и работы с промышленным оборудованием, участвуя в исследовательских проектах совместно с индустриальными партнерами университета: ГК «Росатом», ГК «Ростех», ГК «Роскосмос» и ПАО «Объединенная авиастроительная корпорация».

Аддитивные технологии в России переходят в фазу промышленного внедрения: появляются все новые примеры серийной печати металлических изделий для авиации, энергетики, машиностроения. Однако главным лимитом здесь являются не лазерные установки, а люди. Только обеспечив рост компетенций, возможно запустить масштабное промышленное аддитивное производство. Подготовка новых инженеров, способных «управлять» аддитивными системами и внедрять их в техпроцессы, будет определять скорость технологического развития отрасли в ближайшее десятилетие.