Selective Laser Melting (slm) — селективное лазерное плавление

В данной технологии слои мелкозернистого металлического порошка под воздействием сверхмощного лазера сплавляются (спекаются) в среде инертного газа в цельнометаллические изделия. Металлический порошок разравнивается ракелем по рабочему пространству, затем контур детали заштриховывается импульсным лазером высокой мощности. Сферические гранулы металлического порошка сплавляются в цельнометаллическое изделие.

Материалы: алюминий, титан, конструкционная сталь, нержавеющая сталь, никель, сплав кобальт-хром. Поддержкой выступает несплавленный металлический порошок, но зачастую рекомендуется дополнительно моделировать поддержки для организации теплоотвода с целью снижения температурных деформаций детали. Применение: конечные изделия сложной геометрии, функциональная интеграция деталей, изготовление форм для литья пластиков. В зависимости от производителя оборудования данная технология также может носить название Direct Metal Printing (DMP) и Direct Metal Laser Sintering.

Завершая обзор существующих технологий, хочется отметить, что сильные стороны аддитивного производства конечных изделий лежат в тех областях, где традиционное производство ограничено теми или иными барьерами, например, сложной формой детали, высоким весом или высокой стоимостью. Также 3D-печать является наиболее оптимальным способом сокращения времени разработки изделий за счет быстрого создания прототипов деталей и узлов.

8. 4D-печать программируемой материи

Логическим продолжением 3D-печать стала прорывная технология - 4D-печать программируемой материи, именно материи, а не материалов. 4D-печать способна возвести 3D-печать на новый уровень, вводя еще одно измерение самоорганизации – время. Это обеспечивает возможность в преобразовании цифровой информации в физические объекты. Программирование материи — объединение науки и технологии в деле создания новых материалов, которые приобретают общее, ранее невиданное свойство, а именно: изменять форму и свойства (плотность, модуль упругости, проводимость, цвет и т. д.) целенаправленным способом.

Пока разработка программируемой материи идет в двух направлениях:

1. Изготовление изделий методами 4D-печати — печать заготовок на 3D-принтерах, а затем их самотрансформация под воздействием заданного фактора, например влаги, тепла, давления, тока, ультрафиолетового света или другого источника энергии.

2. Изготовление вокселей (дословно — объемных пикселей) на 3D-принтерах, которые могут соединяться и разъединятся для формирования более крупных программируемых структур.

Например, для существования огромного биоразнообразия на нашей планете достаточно 22 строительных блоков — аминокислот. Поэтому животные и растения, потребляя друг друга, повторно используют фактически один и тот же биоматериал. Такой подход к программированию материи имеет очень большой потенциал. Так, пиксель является элементарной единицей виртуального изображения объекта, а воксель может быть материальной единицей самого объекта в материальном мире. Оба они несут в себе аналогию с аминокислотой. Элементарной единицей материи является атом, но элементарных единиц напечатанной и программируемой материи может быть намного больше и по составу, по структуре, по размеру.

Используя только два вида вокселей (жесткие и мягкие) можно создать самые разные материалы. Если добавить к ним проводящие воксели, конденсаторы, резисторы и получим электронную плату, а если включить активаторы и сенсоры, то получим робота. Технология 4D-печати предполагает непосредственное включение («впечатывание») проводников или проводящих элементов во время печати задания в 3D. После того как объект напечатан, части могут быть активированы с помощью внешнего сигнала, чтобы запустить устройство в целом. Это подход с большим потенциалом в таких областях, как робототехника. Другие 4D-технологии заключаются в использовании композитных материалов, которые способны приобретать различные сложные формы на основе разнообразия физико-механических свойств. Трансформация запускается потоком тепла (нормируемая тепловая энергия) или потоком света определенной длины волны.

Встраивание датчиков в напечатанные 3D-устройства также имеет большие перспективы. Путем вставки наноматериалов можно создать многофункциональные нанокомпозиты, которые способны изменять свойства в соответствии с изменением окружающей среды. Новые материалы самопроизвольно или по команде будут распадаться на программируемые частицы или компоненты, которые затем можно повторно использовать для формирования новых объектов и для выполнения новых функций. Долгосрочный потенциал программируемой материи и технологии 4D-печати заложен в создании экологически более устойчивого мира. Одним из перспективных направлений развития 4D-печати и программирования материи является разработка под конкретный заказ наборов из нескольких вокселей различных форм и с разными функциями, а затем их программирование для еще более специализированных приложений. Теоретически можно изготавливать воксели из металла, пластика, керамики или любого материала. Основные принципы такой технологии аналогичны функционированию ДНК и самоорганизации биологических систем.

Однако на пути к такому радужному будущему предстоит ответить на ряд вопросов:

1. Как программировать САПР для работы с программируемой материей, которая включает многомасштабные, многоэлементные компоненты, но самое главное — статические и динамические части?

2. Как создать материалы с многофункциональными свойствами и встроенными логическими возможностями?

3. Как гарантировать надежность воксельных соединений? Она может быть сравнима с прочностью традиционных изделий, при этом позволяя реконфигурацию или вторичную переработку после использования?

4. Какие методы использовать для генерации энергии в источниках, которые должны быть одновременно пассивными и очень мощными? Как хранить и использовать эту энергию для активации отдельных вокселей и всего программируемого материала изделия?

5. Как эффективно встроить электронное управление или создать управляемые свойства самой материи в нанометровом масштабе?

6. Как программировать и работать с отдельными вокселями — цифровыми и физическими? Как программировать изменение состояний?

9. Управление структурно-фазовыми превращениями с целью получения изделий и материалов с более качественными свойствами

Последнее время пристальное внимание исследователей привлекают модели структурно-фазовых превращений с позиций кластерных теорий строения вещества. Особый интерес связан с изучением формирования новой фазы в различных физических полях, в частности, электромагнитных и акустических. Речь идет о фоновом акустическом влиянии на структурно-фазовые превращения в материалах через электромагнитно-акустическое преобразование с резонансным откликом в некотором интервале частот.

Слабые периодические сигналы могут оказывать влияние на неравновесные гетерофазные процессы, скорее всего, в области разрывов фазовых границ, то есть в промежуточной области, называемой мезофазой. К ней можно отнести границу между жидкой и твердой фазой в момент кристаллизации жидкой фазы и отчетливо выраженные границы раздела между компонентами композиционных и наноструктурированных материалов. Они характеризуются гетерофазными флуктуациями плотности, которым присуще свойство фазовых переходов I рода, то есть изменение свойств скачком.

Имеется предположение, что в расплавах металлов атомы находятся не в хаотичном состоянии, а формируют упорядоченные структуры - кластеры, которые являются основой для образования кристаллов. Кластер – это область в некристаллическом веществе, в которой атомы создают взаимоконфигурации, имеющие существенно большее упорядочение, чем в среднем по объему вещества. Следовательно, в атомно-кластерной модели металлического расплава взаимодействие между атомами в кластере существенно сильнее, чем взаимодействие между атомами вне кластера. При этом атомно-кластерная модель желательно сохранить при затвердевании расплава. Для этой цели имеются технические средства, которые реально дают возможность показать управляющее воздействие электромагнитных полей на гетерофазные процессы посредством акустических волн, образующихся в ходе электромагнитного-акустического преобразования (ЭМАП).

Распространение в проходящей через такое метастабильное состояние электромагнитных и акустических колебаний малой мощности порождает физические эффекты, использование которых в технологиях создает реальные предпосылки улучшения качества обработки материалов, что достигается изменением режимов массо- и теплообмена. Сама мезофаза составлена из флуктуирующих надмолекулярных элементов (первичный кластер), либо более крупные структурные элементы (вторичный и третичный кластеры), откликающихся на частоту следования импульсов тока в радиодиапазоне.

Это было научным открытием, которое относится к материаловедению, металлургическому производству, к процессам литья и сварки. В описании научного открытия обобщаются регулятивные эффекты слабого импульсного электрического тока радиочастотного диапазона в короткозамкнутой петле магнитного диполя (антенны), проявляемые как тензоимпульсные синхронизирующие эффекты в конденсированной среде, претерпевающей неравновесные структурно-фазовые превращения при кристаллизации и плавлении, пластической деформации металлов и сплавов.

Предложена и обоснована с позиций термодинамики необратимых процес­сов и кинетики конденсированных сред модель влия­ния слабых регулярных электротоковых импульсов радиочастотного диапазона в короткозамкнутой петле магнитного диполя (антенны) на физико-химические процессы и свойства конечных продуктов структурно-фазовых превращений. Дано единое обоснование тензоимпульсных синхронизирующих эффектов действием имманентной акустической волны, рождаемой в скин-слое антенны совокупным явлением, известным как электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП).

Построена модель механизма формирования акустического поля в скин-слое антенны как электромагнитно-динамический эффект и выполнены количественные оценки эффективности ЭМАП в магнитном диполе антенны для импульсов различной формы, частоты, скважности, полярности и амплитуды. Обоснован режим фоновой регуляции физико-химических процессов ультраслабыми сигналами, отвечающими тонким меха­низмам самоорганизации кластерных структур. Показано существование верхних амплитудных порогов имманентной, адаптивной фоно­вой регуляции, отличающей её от директивных методов грубого нарушения хода естественной самоорганизации.

Предложен механизм распространения акустического регулятивного сиг­нала в волновом канале мезофазы с резонансным усилением на частотах фазо­вой синхронизации за счёт нелинейного преобразования энергии высокочастот­ных мод, высвобождающейся в процессах структурно-фазовых превращений и внутреннего диффузионно-конвективного тепло- массопереноса. Построена теоретическая основа фоновой акустической резонансной регуля­ции самоорганизации (ФАРРС) как параметрической синхронизации автогене­раторных вихревых структур мезофазы, образующих в режиме ФАРРС систему протяжённых когерентных кластеров с аномальными кинетическими свойствами интенсивного и экстенсивного переноса в реакционной зоне. Из положений этой теории вытекают такие эффекты ФАРРС, как экспериментально наблюдаемая кинетическая и фазово-переходная память реакционных сред, высокая скорость и энергетическая эффективность неравновесных физико-химиче­ских процессов и однородность свойств их продуктов.