В металлической 3D-печати опорные конструкции иногда могут составлять до 50% объёма заготовки. Вместе с бракованными деталями эти высокоценные металлические отходы из-за сложности переработки не могут быть возвращены в производственный цикл. Исследовательская группа Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») разработала метод ультразвукового распыления, который с помощью высокочастотных колебаний (50 000 раз в секунду) «разбивает» металлические отходы на высокосферические порошки с коэффициентом сферичности до 0,90 (1 — идеальная сфера), открывая новый путь для замкнутого цикла переработки металлических отходов аддитивного производства. Результаты исследования опубликованы в журнале JCR Q1 «Journal of Manufacturing and Materials Processing».

Проблема «дорогих отходов» 3D-печати

Металлическое аддитивное производство (то есть металлическая 3D-печать) является одной из ключевых производственных технологий в таких областях, как авиакосмическая промышленность, медицинские имплантаты и высокоточная оснастка. Однако у этой технологии есть «болезнь богатых» — образование большого количества высокоценных металлических отходов.

В процессе металлической 3D-печати нерасплавленный металлический порошок после просеивания может быть возвращён в рабочий цикл. Однако существуют два типа отходов, которые невозможно напрямую переработать:

Опорные конструкции: необходимы при печати сложных деталей, в некоторых случаях могут составлять до 50% объёма заготовки

Бракованные детали: дефектные изделия, полученные в результате неудачной печати

Эти отходы имеют идентичный исходному порошку химический состав и чрезвычайно высокую ценность — особенно из таких материалов, как титановые сплавы, жаропрочные никелевые сплавы и даже драгоценные металлы, например платина. Однако из-за сложности переработки они долгое время могли только выбрасываться или использоваться с понижением качества, не возвращаясь в высокоценный производственный цикл.

Четыре ключевых технологических прорыва метода ультразвукового распыления

Команда лаборатории аддитивного производства НИТУ «МИСиС» под руководством аспиранта, старшего инженера Леонида Федоренко и Ольги Башмаковой разработала метод ультразвукового распыления для прямого преобразования металлических отходов в высококачественный порошок для печати.

Основной механизм: дуговая плавка + ультразвуковые колебания 50 000 раз/с

Основной принцип технологии состоит из трёх этапов:

Дуговая плавка: металлические отходы плавятся под действием электрической дуги, образуя поток жидкого металла

Ультразвуковое распыление: поток жидкого металла стекает вниз на поверхность, вибрирующую с частотой до 50 000 раз в секунду

Мгновенное затвердевание: расплавленные капли мгновенно затвердевают в атмосфере защитного газа аргона, образуя мельчайшие сферические частицы порошка

Ключевым моментом этого процесса является то, что высокочастотные ультразвуковые колебания разрушают поверхностное натяжение жидкого металла, «разбивая» его на однородные мельчайшие капли, которые быстро охлаждаются и фиксируются в защитной атмосфере.

Скачок сферичности: от «картофеля» к «шарику»

Сферичность является ключевым показателем качества металлического порошка — чем выше сферичность, тем лучше текучесть порошка и насыпная плотность при нанесении слоя.

Экспериментальные данные исследовательской группы впечатляют:

Коэффициент сферичности регенерированного порошка: повышен до 0,90 (1 — идеальная сфера)

Сравнительное преимущество: морфология порошков, полученных традиционным методом газового распыления, часто имеет неправильную форму, в то время как технология ультразвукового распыления позволяет получать порошки с высокой сферичностью, что теоретически способствует повышению плотности и механических свойств напечатанных деталей

Ольга Башмакова отмечает: «Сферичность частиц регенерированного порошка значительно повысилась. Чем выше коэффициент сферичности порошкового материала, тем лучше его реологические свойства и насыпная плотность при нанесении слоя в установках селективного лазерного плавления».

Замкнутый технологический цикл: отходы → порошок → печать → отходы

Конечная цель данной технологии — замкнуть производственный цикл металлического аддитивного производства. С помощью метода ультразвукового распыления опорные конструкции и бракованные детали, которые ранее не могли быть возвращены в производственный цикл, могут быть преобразованы в высококачественный сферический порошок и повторно использованы в процессе 3D-печати.

Это означает, что может быть создана полная система замкнутого цикла «отходы → порошок → печать → отходы», что коренным образом изменит модель использования ресурсов в металлическом аддитивном производстве.

Академическая поддержка: публикация в журнале Q1, финансирование Российского научного фонда

Исследование опубликовано в журнале JCR Q1 «Journal of Manufacturing and Materials Processing» и получило финансирование от Российского научного фонда (проект № 25-79-10304).

От распространённых сплавов до драгоценных металлов

Первый этап: валидация на распространённых сплавах

По словам заведующего лабораторией аддитивного производства НИТУ «МИСиС» Станислава Черныхина, в настоящее время технология проходит валидацию на распространённых сплавах для доказательства эффективности предложенного подхода.

Стратегический приоритет: аддитивное производство из драгоценных металлов

Исследовательская группа чётко указывает, что новый метод будет особенно перспективен для переработки деталей, изготовленных методом аддитивного производства из драгоценных металлов (например, платины).

Такие драгоценные металлы, как платина, дороги и дефицитны, они играют незаменимую роль в авиакосмической, медицинской, химической и других отраслях промышленности. Если с помощью метода ультразвукового распыления удастся достичь почти 100% рециклинга материалов из драгоценных металлов, это значительно снизит стоимость продукции в высокотехнологичных отраслях.

Потенциал промышленного внедрения: снижение затрат и повышение эффективности

Сферический металлический порошок является основным сырьём для аддитивного производства, и его размер частиц, сферичность и текучесть напрямую влияют на качество напечатанных деталей. Масштабное применение данной технологии может обеспечить:

Снижение стоимости сырья для металлического аддитивного производства

Стимулирование процесса промышленного внедрения переработки и повторного использования отходов

Уменьшение зависимости от первичных металлических ресурсов

Подготовка кадров: от лаборатории до промышленных передовых

Александр Комиссаров, декан Передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» НИТУ «МИСиС», добавил: «Исследования в области аддитивных технологий являются одним из приоритетных направлений НИТУ "МИСиС". Студенты с первого курса работают на реальном оборудовании, участвуют в научно-исследовательской работе и проектах ведущих государственных корпораций страны».

Такая трёхкомпонентная модель «лаборатория — обучение — промышленность» обеспечивает постоянный приток кадров для непрерывного совершенствования технологии и её промышленного внедрения.

Переосмысление «калькуляции затрат» в металлическом аддитивном производстве

Глубинная ценность этой технологии заключается в пересчёте полной стоимости жизненного цикла металлического аддитивного производства. Раньше опорные конструкции и бракованные детали считались «невозвратными затратами» — дорогой металлический порошок был использован, но не подлежал переработке. Метод ультразвукового распыления даёт этим отходам «вторую жизнь», возвращая их в производственный цикл с качеством, близким к исходному порошку.

В условиях растущей напряжённости с глобальными запасами критически важных металлов и повышения внимания к безопасности цепочек поставок, эта технология предоставляет металлообрабатывающей отрасли аддитивного производства «ключ» — открывающий дверь к замкнутому циклу переработки высокоценных металлических отходов.

Как демонстрирует команда НИТУ «МИСиС»: когда ультразвуковые колебания частотой 50 000 раз в секунду «разбивают» не только поверхностное натяжение жидкого металла, но и традиционную линейную модель ресурсопользования «добыча — производство — отходы». Металлическое аддитивное производство переходит от «высокозатратного прецизионного искусства» к «устойчивому зелёному производству».