Skolkovo_doklad

2. Ключевые технологии...

композиционные материалы считаются перспективными изза новых возможностей достижения высоких механических свойств, тепловых, электрических, оптических и других характеристик [162–164]. Высокие значения свойств нанокомпозитов обусловлены тем, что:

•свойства наноэлементов армирования значительно выше свойств традиционно используемых наполнителей (на­ пример, волокон);

•отношение площади их поверхности к объему очень ве­ лико, что улучшает их взаимодействие со связующим, повышая межфазную адгезию.

Примеры элементов для наноармирования включают:

•низкоразмерные частицы и агрегаты, в том числе гиб­ ридные;

•углеродные нановолокна;

•углеродные нанотрубки (УНТ);

•частицы полихедральных олигомерных силсесквиок­ санов;

•металлические нанопорошки;

•нанопорошки металлооксидной керамики;

•нанопорошки керамики на основе бескислородных сое­ динений металлов и т. д.

Примеры улучшения характеристик материала при исполь­ зовании наноармирования:

•увеличение вязкости разрушения углепластиков на 85% при введении наноглин или углеродных нанотрубок (УНТ) в связующее;

•увеличение вязкости разрушения стали на 30%, достиг­ нутое замещением карбидов кластерами с мелкоди­ сперсной карбидной структурой;

•увеличение сдвиговой прочности стеклопластика на 45% при введении углеродных нанотрубок.

Создание электропроводящих полимерных композиционных материалов при введении УНТ в связующее без потери их механических свойств позволяет получать полностью новые

151

Новые производственные технологии

продукты, такие как гибкие, прозрачные и проводящие пленки для электроники (например, сенсорные экраны).

Ранее внедрение продуктов на основе УНТ было ограничено их высокой стоимостью и малыми объемами производства, однако оба этих ограничения успешно преодолеваются в нас­ тоящее время. Большая часть разработок на рынке углеродного наноармирования основана преимущественно на применении многостенных углеродных нанотрубок (МСНТ), а также углеродных нановолокон (УНВ). Спектр применения одностен­ ных углеродных нанотрубок (ОСНТ) гораздо уже и пока от­ стает от МСНТ по своей значимости и объему. Основной причиной, обусловливающей такую тенденцию, является то, что, хотя высокая стоимость внедрения характерна для всех УНТ, стоимость ОСНТ в 50–100 раз превосходит стоимость МСНТ и УНВ. Тем не менее цены на все виды материалов, получаемых с помощью углеродного наноармирования, снижаются в силу того, что растут объемы их производства.

Число производителей УНТ значительно возросло с истечением сроков действия патентов, принадлежащих пионеру рынка углеродных нанотрубок — Hyperion Catalysis International. Недавно компания Bayer Material Science представила новую технологию промышленного получения МСНТ с достаточной чистотой и более низкой стоимостью. Другими ключевыми игроками выступают французская компания Arkema, бельгийские Nanocyl и Pyrograf Products, расположенная в СанДиего компания Ahwahnee Inc., две компании из Южной Кореи — Carbon Nano-Material Technology и Iljin Nanotech, а также японская Showa Denka и два поставщика из Северной Америки — Raymor Industries Inc. в Канаде и Unidym Inc. в США.

Сегодня более 100 компаний по всему миру производят УНТ, причем ожидается, что это число возрастет более чем до 200 в течение последующих пяти лет. В настоящее время доля УНТ составляет около 30% общего спроса на все наноматериалы. Основные производители УНТ и их годовые объемы производства в 2010 г. приведены в табл. 12. Следует также заметить, что компаний и институтов, активно вовлеченных в исследования в области УНТ, уже можно насчитать более тысячи по всему миру.

152

2. Ключевые технологии...

Таблица 12. Основные производители углеродных нанотрубок

153

Новые производственные технологии

в) М икромеханическое проектирование

Посредством управления внутренней структурой на основе подходов микромеханики можно получать материалы с исключительно высокими жесткостью, прочностью, трещиностойкостью и другими механическими характеристиками [165–171]. В качестве примеров можно привести процессы создания гиб­ ридных композиционных материалов, композитов с иерархической структурой, тканых, плетеных и вязаных текстильных преформ.

При комбинировании разных типов волокон в гибридных композиционных материалах и/или применении специально спроектированных схем армирования в материалах с иерархической структурой оптимизируется структура, что обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик изделия/ конструкции в целом. Применение гибридных композитов наиболее востребовано в коммерческом самолетостроении, что связано с такими их характеристиками, как повышенная трещиностойкость, ударная прочность, усталостная долговечность, меньшая чувствительность к концентраторам напряжений (надрезам, отверстиям и пр.).

г) Проектирование на макроуровне

Проектирование материала на этом уровне — наиболее распространенная практика [172], что сложилось исторически при разработке деталей из композиционных материалов [173]. Основным подходом, применяемым в настоящее время, служит изменение свойств материала от одной дискретной области проектируемого элемента конструкции к другой путем изменения числа слоев, а также углов ориентации армирующих волокон. Достоинством этого подхода с точки зрения перспек­­ тивных технологий считается «аддитивный» характер этого производства. Локальное изменение толщины и даже геомет­ рии детали в различных областях достигается путем не механической (вычитающей) обработки, а добавления слоев.

Последние тенденции в этой области заключаются в переходе от дискретного к непрерывному изменению параметров и свойств во всей композитной детали. Это достигается путем

154

2. Ключевые технологии...

непрерывного управления углами ориентации волокон при выкладке и возможностями 3D-печати. Также появляется возможность проектировать/контролировать направления действия нагрузок в конструкции, так как в конструкциях из композиционных материалов распределение нагрузок сущест­ венно зависит от направления укладки волокон. Однако для создания таких конструкций необходимо использование специального автоматического выкладочного оборудования, которое будет рассматриваться ниже. При этом важную роль играют многоуровневое моделирование и динамическое испытание как компьютерной, так и экспериментальной модели изделия/ конструкции. Основное преимущество заключается в том, что конструкторы получают инструментарий для того, чтобы оп­ тимально функционализировать свойства материала исходя из воздействий на конструкцию в процессе эксплуатации­.

Производство спроектированных материалов и конструкций

Несмотря на то что современные композиционные материалы используются в течение более чем пяти десятилетий, технологии производства деталей и конструкций из этих мате­ риалов долгое время пребывали в «зачаточном» состоянии. Удивителен тот факт, что многие промышленные приложения,­ за исключением нескольких специальных областей, ранее были основаны лишь на технологии ручного производства. Полуавтоматизированные или автоматизированные производственные технологии применялись лишь при изготовлении баллонов и труб путем намотки жгутов или пучков нитей на выпуклую поверхность сосуда по геодезическим или окологеодезическим траекториям. Другим автоматизированным видом технологии было пултрузионное производство одно­ направленных­ волокнистых композиционных материалов. Вы­ сокоточная,сложнаятехника начала применятьсядля производ­ ства крупногабаритных композитных деталей и конструкций только в 1990 х гг. с появлением машин автоматизированной выкладки лент (АВЛ) и автоматизированной выкладки волокна (АВВ).

155

Новые производственные технологии

Применение автоматизированной техники для производства композитных конструкций, имеющих нестандартную гео­ метрию, позволит сломать ценовой барьер, препятствующий масштабному внедрению композиционных материалов в производство потребительских товаров. Машины АВВ и АВЛ, упомянутые выше, являются лишь предтечами автоматизированных систем, которые однажды станут частью более сложной сборочной линии композитных конструкций, способной сочетать различные части композитной конструкции и типы армирования. Схожий путь от ручной сборочной линии до автоматического роботизированного производства прошло автомобилестроение.

2.5.2. Металлопорошковые материалы для аддитивных производственных технологий

Анализ имеющихся данных говорит о том, что область материалов для АП-технологий находится в зачаточном состоянии и в ней, без сомнения, развернется острая конкурентная борьба. По существу, необходимо создание нового материаловедения, что связано с решением таких сложных научных и технологических проблем, как:

1)разработка и создание порошковых систем с управляе­ мыми/контролируемыми в условиях АП размерными, физико-химическими и геометрическими параметра­ ми/свойствами;

2)разработка подходов и моделей для описания процес­ сов формирования структурно-фазовых состояний не­ посредственно в процессе 3D-печати;

3)разработка численных методов и испытательных сис­ тем для реализации многоуровневого (с учетом локаль­ ного структурно-фазового состояния материала) дина­ мического моделирования изделий и конструкций.

В настоящее время не существует общих требований к металлопорошковым композициям, применяемым в AM-техно­­ логиях. Разные компании-производители AM-машин предписывают работу с определенным перечнем материалов, обыч-

156

2. Ключевые технологии...

но поставляемых самой этой компанией. В разных машинах используются порошки различного фракционного состава. Одним из параметров, характеризующих порошок, служит величина d50 — «средний диаметр частиц». Например, d50 = = 40 мкм означает, что у 50% частиц порошка размер частиц меньше или равен 40 мкм.

Так, например, в машинах Phenix Systems используется порошок с d50 = 10 мкм; для машин Conzept Laser дисперсность порошка лежит в переделах 25–52 мкм при d50 = 26,9 мкм; для Arcam размер частиц составляет 45–100 мкм, для машин SLM Solutions d50 = 10–30 мкм и т. д. Существует определенное недоверие к порошкам разных производителей. Нет никакой гарантии, что, купив материал у одного производителя и дополнительное количество у другого, вы получите изделия одинакового качества. Все это диктует необходимость стандартизации материалов для AM-технологий. Здесь тоже необходима большая исследовательская работа, поскольку современные методы, применяемые при оценке свойств материалов для традиционных технологий, не могут быть применены к аддитивным технологиям из-за наличия анизотропии, неизбежной при послойном принципе создания изделия.

За рубежом вопросы стандартизации по материалам для аддитивных технологий находятся в компетенции NIST — National Institute of Standards and Technology (США); Международной организации по стандартизации ISO (комитет TC261 по аддитивным технологиям) и ASTM (международный комитет F42 по аддитивным технологиям). В настоящее время разработан только один стандарт (ASTM F2924) на материал Ti-6- Al-4-V для применения в технологиях Powder Bed Fusion.

Особенность процесса лазерного синтеза, например, по технологии SLM состоит в том, что при построении детали лазерный луч не только сплавляет частицы порошка, формируя тело детали, но и «портит» материал, непосредственно прилегающий к поверхности строящейся детали. Поэтому в практике работы с SLS-машинами применяют методы просеивания отработанного материала с целью удаления «бракованной» части с дальнейшим перемешиванием «работавшего» порошка со свежим. В какой пропорции — каждая компания

157

Новые производственные технологии

решает по-своему. Таким образом, идентичность образцов, построенных на одной машине из одного и того же порошка, но с учетом этих нюансов, также не гарантирована.

Общим требованием к порошкам для AM-машин становится сферическая форма частиц. Это связано, во первых, с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем, и, во вторых, с необходимостью обеспечить «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. Это как раз достигается при сферической форме частиц.

Если порошок имеет слишком малый размер частиц,то в процессе построения легкие частицы будут «вылетать» из зоны расплава, что приведет к обратному результату — повышенной шероховатости детали, микропористости. Еще один нюанс: для того чтобы вылетающие из зоны расплава частицы не попадали на соседние уже сплавленные участки поверхности строящегося слоя, внутри рабочей камеры создают направленный «ветер», который сдувает вылетевшие частицы в сторону. Это также может привести к слишком интенсивному выносу строительного материала из зоны построения. В силу этих причин при работе с мелкодисперсными порошками с d 50 <10 мкм применяют маломощные, следовательно, малопроизводительные лазеры. Такие порошки (с соответствующими настройками машины) применяют в основном для изготовления микродеталей, которые иным способом изготовить невозможно.

Определенные трудности при работе с мелкодисперсными порошками возникают в связи с их повышенной склонностью к комкованию. Это предъявляет особые требования к условиям хранения материалов и эксплуатации AM-машин.

Методы получения металлических порошковых материалов для аддитивных технологий

Существует множество методов получения металлопорошков, условно их разделяют на физико-химические и механические. К физико-химическим относят технологии, связанные с физи­ ко-химическими превращениями исходного сырья. При этом

158

2. Ключевые технологии...

химический состав и структура конечного продукта — порошка существенно отличаются от исходного материала. Механические методы обеспечивают производство порошка из сырья без существенного изменения химического состава. К механическим методам относятся, например, многочисленные варианты размола в мельницах и диспергирование расплавов посредством струи газа или жидкости. Этот процесс называют также атомизацией.

Частицы порошков, получаемых механическими методами — путем размола, имеют осколочную, неправильную форму. В изготовленном порошке содержится относительно большое количество примесей — продуктов износа размольных тел и футеровки мельницы. Поэтому эти методы не применяют для получения порошков, используемых в аддитивных технологиях.

Диспергирование расплава — наиболее производительный, экономичный и эффективный способ получения мелких и средних порошков металлов. 60–70% объема всех промышленных порошков получают именно этим методом [174]. Распыление (атомизацию) широко применяют при производстве порошков многокомпонентных сплавов, в частности, с аморфной структурой, которая позволяет достичь равномерного химического состава композиции даже при содержании легирующих компонентов выше их предела растворимости в основном компоненте сплава. Кроме того, порошки, полученные с использованием методов диспергирования расплавов, имеют форму частиц, близкую к сферической.

Более 90% всех порошков, применяемых в аддитивных технологиях, получают методами диспергирования расплава. Основными технологиями получения порошков для AM-машин являются:

•газовая атомизация (разновидности технологии — во­ дяная и масляная атомизация);

•вакуумная атомизация;

•центробежная атомизация.

Газовая атомизация. Согласно этой технологии металл расплавляют в плавильной камере (обычно в вакууме или инерт-

159

Новые производственные технологии

ной среде) и затем сливают в управляемом режиме через специальное устройство — распылитель, где производится разрушение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением. Для получения мелких порошков d = 10–40 мкм, наиболее часто применяемых в аддитивных технологиях, используют так называемые VIM-атомайзеры (Vacuum Induction Melting), в которых плавильную камеру и камеру атомизации вакуумируют для минимизации контакта расплава с кислородом и азотом, непосредственно перед процессом распыления камеру распыления заполняют инертным газом до атмосферного давления, а в плавильной камере создается избыточное­ давление. А саму технологию получения порошков с использованием машин для вакуумного плавления называют VIGA — Vacuum Induction Melt Inert Gas Atomization, т. е. «технологией газового распыления металла, расплавленного в вакуумной камере путем индукционного нагрева». Применяются как поворотные тигли (для высокопроизводительных машин), так и тигли с донным сливом (в основном для лабораторных установок).

Для плавки возможно использование керамических тиглей, «холодного тигля» для плавки высокоактивных материалов, а также бестигельной плавки медленно вращающегося элект­ рода в коническом индукторе. В зависимости от материала тигля температура плавления может достигать 2000°C. Расплавленный металл сливают в специальный приемник, к которому подводят инертный газ под давлением (обычно аргон, иногда азот).

Процесс распыления металла для лабораторных установок имеет три фазы — начальную, рабочую и заключительную. В начальной фазе система выходит на рабочий режим: открывается клапан для слива металла (необходимо некоторое время для стабилизации потока), включается подача распылительного газа, причем в точно определенном соотношении между количеством металла и распыляющего газа. Эта фаза длится несколько секунд.

Далее начинается рабочая фаза, в которой процесс слива металла стабилизируется и достигается требуемое соотношение расхода металла и аргона в распылителе. В конце ра-

160