Машина печатает не металлом, а порошком
В разговоре о металлической 3D-печати внимание обычно достаётся принтеру: мощность лазеров, размер камеры построения, скорость. Но свойства готовой детали закладываются раньше — в том сырье, которое засыпают в машину. Порошок определяет плотность спечённого материала, повторяемость от партии к партии и то, сколько деталей уйдёт в брак после первой же проверки. Поэтому развитие аддитивного производства металла упирается не только в парк оборудования, но и в доступность квалифицированного порошка нужного сплава — особенно там, где деталь работает при высоких температурах и давлениях: в двигателях, элементах ракетной техники, оборонной и аэрокосмической технике.
EIGA: распыление без тигля
Основной промышленный способ получить металлический порошок для печати — газовое распыление. Расплав выпускают тонкой струёй, поток инертного газа под давлением дробит её на капли, капли застывают в полёте и принимают форму, близкую к шару. Разновидность EIGA (electrode induction gas atomization — газовое распыление с индукционным нагревом электрода) отличается тем, что металл вообще не контактирует с тиглем: пруток-заготовка подаётся во вращении в индуктор, плавится с торца, и расплав сразу попадает в струю газа.
Для титана и тугоплавких сплавов это принципиально. Расплавленный титан агрессивен к керамике: в схеме с тиглем в металл попадают керамические включения, которые потом становятся очагами трещин в напечатанной детали. Отсутствие тигля убирает этот источник загрязнения — ценой более сложной подачи и более дорогого сырья в виде прутка.
По этой схеме получают не только титановые сплавы. Так делают тугоплавкие материалы — например, ниобиевый сплав C103, рассчитанный на очень высокие температуры и применяемый в двигательных и ракетных узлах. Стабильно получать из него ровный порошок сложно: выше температура плавления, уже технологическое окно, жёстче требования к чистоте атмосферы.
Порядок величин у промышленной площадки под такое сырьё сегодня примерно такой: три установки EIGA — две под титан, одна под тугоплавкие сплавы — дают около 480 тонн титанового порошка и 200 тонн тугоплавкого в год (данные американского производителя, площадка в штате Теннесси). Это ответ на типовой дефицит: печать металлом растёт быстрее, чем появляется квалифицированное сырьё под неё.
Что значит «хороший порошок»
Требования к порошку для печати описываются несколькими параметрами, и все они взаимосвязаны. Ниже — общепринятая практика отрасли, а не характеристики конкретной марки:
- Сферичность. Круглые частицы укладываются плотно и текут ровно. Осколочная форма (как у дроблёного порошка) даёт неравномерный слой и пустоты.
- Сателлиты. Мелкие капли, прилипшие к крупным при столкновении в полёте, ухудшают текучесть. Их доля — один из показателей качества распыления.
- Гранулометрия. Под лазерное сплавление на подложке обычно берут узкую фракцию мелкого порошка, под электронно-лучевые и наплавочные процессы — более крупную. Точный диапазон задаёт производитель машины, и менять его самовольно нельзя: под него настроены параметры печати.
- Текучесть и насыпная плотность. От них зависит, ровно ли ракель разложит слой и повторится ли толщина слоя по всему полю.
- Содержание кислорода и азота. Для титана и тугоплавких сплавов это критично: газы охрупчивают материал, и превышение по кислороду выводит партию за пределы спецификации.
- Влага и посторонние включения. Порошок гигроскопичен, а чужая частица из соседнего сплава — готовый дефект в детали.
Порошок живёт дольше одной печати
В порошковых процессах основная часть материала за один цикл не сплавляется. Неиспользованный порошок просеивают и возвращают в оборот — на этом держится экономика участка. Но материал при этом меняется: с каждым циклом растёт содержание кислорода, уходит мелкая фракция, появляются агломераты, гранулометрия дрейфует. Поэтому в серьёзном производстве ведут журнал по каждой партии: сколько циклов она прошла, в какой доле подмешивается свежий порошок, когда партия выводится из обращения.
Именно этот участок работы сейчас исследуют: выход годного при распылении и правила повторного использования порошка титанового сплава Ti-6Al-4V — самого распространённого в аддитивном производстве — разбирают в отраслевых исследованиях по стандартизации. Цель простая: получать больше пригодного порошка из того же прутка, меньше выбрасывать и тем самым снижать себестоимость детали.
Квалификация материала — отдельная работа
Для ответственных отраслей мало произвести порошок — его нужно квалифицировать. На практике это означает зафиксированную спецификацию сырья, зафиксированные параметры печати под неё и подтверждённые испытаниями свойства напечатанного материала, оформленные документально. Сменился поставщик порошка или его технологический маршрут — свойства детали формально придётся подтверждать заново.
Отраслевые программы под высокотемпературные материалы как раз этим и заняты: сделать такие сплавы доступнее и снизить стоимость деталей из них. Пример из последних — ускоренная квалификация порошка C103, у которого сочетаются высокая рабочая температура и капризность в производстве.
Соседняя технология: горячее изостатическое прессование
Тот же порошок используют и без принтера. В технологии PM-HIP (порошковая металлургия с горячим изостатическим прессованием) порошок засыпают в герметичную оболочку нужной формы и выдерживают под высокой температурой и давлением. Получается плотная деталь со свойствами, близкими к кованой.
Для машиностроения это альтернатива литью и ковке в двух ситуациях: когда обычная цепочка поставок даёт слишком долгий срок изготовления и когда нужно две-три запасные детали, а не серия. Тот же принцип, кстати, работает и как постобработка: горячее изостатическое прессование напечатанных деталей закрывает остаточную пористость и выравнивает свойства — это стандартный шаг для ответственных изделий.
Что забрать на свой участок
- Покупать порошок по спецификации, а не по названию сплава: марка, фракция, содержание кислорода, метод получения.
- Требовать паспорт партии и хранить его вместе с записями о печати — без этого нельзя разобрать причину брака.
- Держать порошок в герметичной таре, сушить перед работой, не оставлять бункер открытым.
- Вести учёт циклов повторного использования и долю свежего порошка в смеси.
- Не смешивать партии разных поставщиков и разных маршрутов производства без повторной проверки свойств.
- Соблюдать правила обращения с мелкодисперсными металлами: тонкий титановый порошок пожаро- и взрывоопасен, работа идёт в инертной среде, с заземлением оснастки и без искрящего инструмента.
Металлическая 3D-печать выглядит как история про машины, но по сути это история про материал. Пока в стране или в отрасли нет ровного потока квалифицированного порошка, самый дорогой принтер остаётся демонстрационным стендом.