Слой за слоем

Детали реактивных двигателей должны выдерживать огромные силы и температуры и быть как можно более легкими для экономии топлива. Это означает, что их изготовление сложно и дорого: специалисты General Electric сваривают вместе до 20 отдельных кусков металла, чтобы добиться формы, позволяющей эффективно смешивать топливо и воздух в топливной форсунке. Но для нового двигателя, который выйдет в следующем году, GE считает, что у нее есть лучший способ изготовления топливных форсунок: их печать.

Для этого лазер отслеживает форму поперечного сечения инжектора на слое кобальт-хромового порошка, плавя порошок в твердую форму, чтобы создать инжектор по одному ультратонкому слою за раз. Это обещает быть дешевле, чем традиционные методы производства, и должно привести к созданию более легкой детали, то есть лучшей. Первые детали пойдут на реактивные двигатели, говорит Прабхджот Сингх, руководитель лаборатории в GE, которая занимается улучшением и применением этого и подобных процессов 3D-печати. Но, добавляет он, «не проходит и дня, чтобы мы не получили известий от других подразделений GE, заинтересованных в использовании этой технологии».

Эти инновации находятся в авангарде радикальных изменений в производственных технологиях, которые особенно привлекательны в таких передовых приложениях, как аэрокосмическая промышленность и автомобили. Методы 3D-печати не только сделают более эффективным производство существующих деталей. Они также позволят производить вещи, которые раньше были даже немыслимы, например, детали сложной, выемчатой ​​формы, которые минимизируют вес без ущерба для прочности. В отличие от процессов механической обработки, при которых до 90 процентов материала может оставаться на полу, 3D-печать практически не оставляет отходов, что очень важно при использовании дорогих металлов, таких как титан. Эта технология также может снизить необходимость хранения деталей на складе, поскольку можно так же легко напечатать другую деталь — или ее улучшенную версию — через 10 лет после изготовления первой. Производитель автомобилей, получающий сообщения о неисправности механизма ремня безопасности, может в течение нескольких дней отправить перенастроенную версию дилерам.

Аддитивное производство, как еще называют 3D-печать, возникло в середине 1980-х годов после того, как Чарльз Халл изобрел то, что он назвал стереолитографией, при которой верхний слой массы смолы затвердевает ультрафиолетовым лазером. Различные методы 3D-печати стали популярны среди инженеров, которые хотят создать прототипы новых конструкций или изготовить несколько деталей с индивидуальными требованиями: они могут создать 3D-чертеж детали в программе компьютерного проектирования, а затем получить принтер, чтобы выплюнуть его несколько часов спустя. Этот процесс позволяет избежать первоначальных затрат, длительного времени выполнения заказа и конструктивных ограничений, присущих традиционным технологиям крупносерийного производства, таким как литье под давлением, литье и штамповка. Но технология была адаптирована только для ограниченного набора материалов, и возникли вопросы по контролю качества. Изготовление деталей таким способом также происходит медленно — может потребоваться день или больше, чтобы сделать то, что традиционное производство может выполнить за минуты или часы. По этим причинам 3D-печать не использовалась для изготовления больших партий деталей.

Но теперь технология продвинулась достаточно далеко, чтобы начать производство на нишевых рынках, таких как медицинское оборудование. И в течение следующих нескольких лет он готов стать частью нескольких более крупных приложений. «Мы подошли к моменту, когда происходит достаточно важных достижений, чтобы сделать эту технологию действительно полезной в производстве деталей конечного использования», — говорит Тим ​​Горнет, руководитель Центра быстрого прототипирования в Университете Луисвилля.

НАХОДКИ

Для «печати» твердого объекта слой за слоем можно использовать несколько методов. При спекании тонкий слой порошкообразного металла или термопластика подвергается воздействию лазера или электронного луча, который превращает материал в твердое вещество в определенных областях; затем сверху наносится новый слой порошка и процесс повторяется. Детали также можно изготавливать из нагретого пластика или металла, экструдированного или распыляемого через сопло, которое перемещается, создавая форму одного слоя, после чего непосредственно сверху наносится другой слой и так далее. В другом методе 3D-печати для связывания порошков используется клей.