Пример печати. Источник: EOS (слева) Materialise (справа)
Никелевые сплавы приобретают всё большее значение в 3D-печати благодаря своей термической и механической прочности, а также устойчивости к коррозии. Эти качества делают их идеальным выбором для производства высокопроизводительных компонентов в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская и нефтегазовая. Их способность выдерживать экстремальные условия, а также совместимость с аддитивным производством позволяют создавать сложные, узкоспециализированные детали. В этом руководстве мы рассмотрим свойства никелевых сплавов, их преимущества при 3D-печати, основные области применения и ведущих производителей в этой отрасли.
Свойства материала
Сплавы никеля, используемые в производстве, получают из никелевой руды. Этот материал встречается в природе в таких рудах, как пентландит, лимонит и гарньерит, и добывается в ходе крупномасштабных горных работ. После добычи руда проходит несколько этапов очистки, в результате чего получается никель высокой чистоты, который служит основой для создания специальных сплавов.
Сплав никеля в виде порошка. (Источник: компания Guangzhou Sailong AM Co.)
Некоторые из самых известных в промышленности сплавов названы в честь компаний, которые их запатентовали. Среди наиболее распространённых:
Inconel®— это семейство жаропрочных сплавов на основе никеля и хрома, известных своей превосходной устойчивостью к коррозии и высоким температурам. Наиболее распространёнными марками являются Inconel 625 и Inconel 718, которые отличаются в основном составом. Inconel 625 содержит около 58% никеля, а также большое количество хрома, молибдена и ниобия. Inconel 718 имеет аналогичную никелевую основу, но содержит больше железа, меньше молибдена и значительное количество ниобия, алюминия и титана.
Hastelloy®— сплав, состоящий из кобальта, хрома, никеля и молибдена, обладающий исключительной коррозионной стойкостью в кислотных и химических средах. Hastelloy X — это аустенитный сплав с небольшим содержанием кобальта, молибдена и вольфрама. Он обладает превосходной стойкостью к окислению при высоких температурах, что делает его идеальным для использования в реактивных двигателях и промышленных печах.
HAYNES®— семейство жаропрочных сплавов на основе никеля, разработанных компанией Haynes International, специализирующейся на производстве высокоэффективных материалов для экстремальных условий эксплуатации. К популярным маркам относятся 230, 282 и 214, которые известны своей высокой термостойкостью и структурной стабильностью.
Другие порошки
Помимо этих трёх, существуют и другие известные сплавы, такие как монель (никель-медь), ковай (никель-железо-кобальт) и инвар (никель-железо, обычно с содержанием никеля 36%). Все они обладают высокой устойчивостью к коррозии в сложных условиях, что делает их идеальными для применения в судостроении, аэрокосмической отрасли, а также для производства электронных и магнитных компонентов.
Деталь, напечатанная на 3D-принтере из сплава Inconel 625. Источник: ExOne
3D-печать с использованием никелевых сплавов
Для использования в 3D-печати никель сначала необходимо преобразовать в высококачественный металлический порошок. Обычно это делается с помощью методов распыления, наиболее распространёнными из которых являются газовое и плазменное распыление. После получения порошка его сортируют и подготавливают. Благодаря этим передовым технологиям порошковые сплавы никеля соответствуют строгим стандартам, предъявляемым в самых требовательных отраслях.
3D-печать никелевыми сплавами в основном осуществляется с использованием технологий аддитивного производства металлов на основе порошка. Наиболее широко используемые методы включают лазерную наплавку порошкового слоя (LPBF), электронно-лучевую плавку (EBM) и направленное энергетическое осаждение (DED). Каждый из этих процессов требует тщательной оптимизации таких параметров, как мощность лазера или электронного луча, скорость сканирования и толщина слоя, чтобы обеспечить желаемое качество и свойства материала готовых деталей.
Преимущества и ограничения
Эти сплавы в сочетании с аддитивным производством обладают многочисленными преимуществами. Благодаря высокой термостойкости они сохраняют структурную целостность даже при температуре выше 700°C. В то же время, как мы знаем, 3D-печать обеспечивает значительную гибкость проектирования, позволяя создавать сложные оптимизированные геометрические формы, которые было бы трудно или невозможно получить с помощью традиционных методов производства. В результате можно производить более эффективные и лёгкие детали, что является важным фактором для многих отраслей, таких как аэрокосмическая и автомобильная промышленность.
Однако у никелевых сплавов есть и определённые недостатки. Один из главных минусов — высокая стоимость. Цена порошка из никелевого сплава может значительно увеличить производственные расходы и стать препятствием для выхода на рынок. Кроме того, напечатанные детали обычно требуют последующей обработки, такой как термообработка и механическая обработка, что может увеличить сроки производства. Работа с мелкодисперсными металлическими порошками также сопряжена с рисками для здоровья и безопасности и требует строгого контроля и использования соответствующих средств защиты.
Ключевые области Применения
Благодаря своим замечательным свойствам никелевые сплавы в 3D-печати используются в различных отраслях.
В аэрокосмической отрасли они применяются для изготовления компонентов двигателей, таких как лопатки турбин и камеры сгорания, — деталей, которые должны выдерживать высокие температуры и механические нагрузки.
В автомобильной промышленности они используются для изготовления высокопроизводительных деталей, таких как турбокомпрессоры и выхлопные системы, благодаря своей термостойкости и устойчивости к коррозии.
В нефтегазовой промышленности они используются для изготовления компонентов бурового и перерабатывающего оборудования, предназначенного для работы в условиях высокой коррозионной активности и при повышенных температурах. Кроме того, многие другие отрасли уже используют никелевые сплавы в 3D-печати.
Напечатанный на 3D-принтере силовой агрегат из ниобиевого сплава. Фото: TANIOBIS.
Ниобиевые порошки для экстремальных условий
TANIOBIS GmbH, специализирующаяся на порошках из ниобиевых сплавов, предлагает материалы, разработанные для работы в условиях высоких тепловых нагрузок в аэрокосмических двигателях и конструкционных элементах. Компания заявляет, что её AMtrinsic – порошки на основе ниобия предназначены для удовлетворения растущего спроса на компоненты, которые должны сохранять механическую целостность при воздействии температур выше 1000°C — в условиях, которые выходят за рамки возможностей обычных аэрокосмических сплавов. Эти материалы используются в соплах реактивных двигателей, сегментах управления и спутниковых двигателях.
Сплавы AMtrinsic для 3D-печати
AMtrinsic C-103 и AMtrinsic FS-85, два ниобийсодержащих сплава, разработанных компанией TANIOBIS для АП, предназначены для использования в деталях с оптимизированной геометрией, изготовленных с помощью 3D-печати. Такие компоненты могут иметь внутренние каналы или сложные контуры, которые трудно или невозможно реализовать с помощью литья или субтрактивных процессов. Согласно информации компании, эти сплавы уже используются в условиях, где требуется высокая прочность при экстремально высоких температурах.
Совместная разработка с партнерами
TANIOBIS сообщает о продолжающейся разработке своих порошков в сотрудничестве с исследовательскими институтами и международными компаниями для приведения поведения материалов в соответствие с требованиями аэрокосмического производства.
Независимые исследования подтверждают интерес к этим материалам. Исследовательский центр Гленна НАСА в Кливленде провёл оценку аддитивного производства нескольких ниобиевых сплавов, в том числе C-103, FS-85 и Cb-752, в рамках исследования «Механические свойства исторических ниобиевых сплавов при повышенных температурах», доступного на Сервере технических отчётов НАСА (NTRS). Результаты показали, что FS-85 и Cb-752 превосходят C-103 по механической прочности и характеристикам ползучести при высоких температурах. Эти данные указывают на потенциальные преимущества для компонентов тепловой защиты и областей двигательной установки, подвергающихся термическому воздействию.
Преимущества ниобиевых сплавов
Спрос на жаропрочные материалы в аэрокосмической отрасли вырос, поскольку современные силовые установки работают при температуре, близкой к пределу механической стабильности обычных сплавов на основе никеля, который составляет около 1050°C. Ниобиевые системы расширяют эти границы. Компания TANIOBIS утверждает, что её работа над ниобиевыми порошками для печати способствует развитию аэрокосмической отрасли в Европе, поскольку сочетает в себе способность выдерживать высокие температуры и широкие возможности аддитивного производства, а также позволяет сократить количество отходов по сравнению с традиционными методами сборки. Дальнейшее совершенствование характеристик порошка направлено на обеспечение стабильных свойств в критически важных конструкциях и расширение базы материалов для будущего космического оборудования.
Вид сверху на ту же деталь из ниобиевого сплава, на которой видна внутренняя решётка и встроенные каналы. Фото TANIOBIS.
Компания Elmet Technologies, американский производитель вольфрама и молибдена, получила патент США № 12 359 290 на способ производства порошков тяжёлых вольфрамовых сплавов. Запатентованный процесс расширяет возможности аддитивного производства и порошковой металлургии за счёт улучшения морфологии порошка, его текучести и уплотнения.
Это нововведение стало пятым патентом компании Elmet в США в данной области и позволяет производить практически сферические сыпучие композитные порошки, предназначенные для струйной обработки связующим и аналогичных технологий порошкового слоя. Благодаря использованию распылительной сушки и дополнительной плазменной уплотнительной обработки в процессе создаются частицы, которые улучшают спекание и теплопроводность, что крайне важно для аэрокосмической, оборонной и промышленной отраслей.
«Этот патент подтверждает стремление компании Elmet Technologies к инновациям в области материалов, — сказал Майкл Т. Ставови, директор по исследованиям и разработкам и соавтор изобретения. — Наш подход позволяет производить порошки из тяжёлых вольфрамовых сплавов с исключительной текучестью и химической однородностью».
Запатентованные порошки содержат до 90% вольфрама с тщательно контролируемыми добавками никеля, железа, меди, кобальта или марганца. Частицы имеют преимущественно сферическую форму, отличаются пониженной пористостью и превосходными характеристиками текучести: время прохождения через капилляр составляет всего 7 секунд на 50 граммов. Варианты с плазменной обработкой могут достигать 65% теоретической плотности, что помогает минимизировать усадку и количество дефектов при спекании.
Эта разработка решает давние проблемы, связанные с производством высокочистых и стабильных порошков для экстремальных условий обработки. Порошки компании предназначены для использования в сложных условиях, требующих высокой прочности и точности.
О компании Elmet Technologies
Компания Elmet Technologies, основанная в 1929 году и имеющая штаб-квартиру в Льюистоне, штат Мэн, занимает производственные площади площадью более 500 000 кв. футов в штатах Мэн, Огайо и Мичиган. После приобретения в 2023 году H.C. Starck Solutions Americas компания стала крупнейшим в США производителем вольфрамовых и молибденовых материалов. Elmet обслуживает клиентов в оборонной, аэрокосмической, медицинской, полупроводниковой и промышленной отраслях. Компания сертифицирована по стандартам ISO9001, AS9100 и ITAR.
Европейская ассоциация производственных технологий (CECIMO) вместе с десятью национальными ассоциациями, представляющими 700 компаний, опубликовала «Манифест конкурентоспособного европейского сектора аддитивного производства». Этот документ стал первым шагом в создании платформы AM-Europe, которая, по замыслу CECIMO, должна объединить отрасль аддитивного производства (АП) в ЕС и представлять её интересы на европейском уровне. Однако амбициозные планы вызывают вопросы: сможет ли новая платформа преодолеть бюрократические и финансовые барьеры для реального воздействия?
Видение мирового лидерства
Манифест провозглашает цель сделать Европу мировым лидером в аддитивном производстве, подчеркивая его роль в достижении приоритетов ЕС: переход к «зелёной» экономике, цифровизация, решоринг, разработка передовых материалов и укрепление промышленной автономии. CECIMO утверждает, что АП может стать ключом к этим целям, но скептики отмечают, что без значительных инвестиций и координации между странами ЕС эти заявления рискуют остаться декларациями.
Стратегические рекомендации
Манифест предлагает четыре ключевые рекомендации для развития АП в Европе:
Разработка европейской стратегии АП: CECIMO призывает создать комплексную стратегию для оценки сильных и слабых сторон сектора и поддержания его конкурентоспособности. Но насколько реально согласовать интересы всех стран ЕС в условиях разрозненных национальных приоритетов?
Создание экосистемы через государственно-частное партнерство: Предлагается учредить организацию для продвижения АП, которая станет единым центром по вопросам политики и стандартизации. Однако такие инициативы часто тонут в бюрократии и требуют значительных ресурсов.
Использование АП для кризисного реагирования: АП может повысить устойчивость производства, обеспечивая быстрое производство критически важных компонентов в кризисах. Но создание сети АП-объектов по всему ЕС потребует огромных вложений и времени.
Подготовка квалифицированных кадров: Манифест подчеркивает необходимость развития навыков для работы с АП. Однако нехватка специалистов — хроническая проблема, и быстрых решений для подготовки тысяч инженеров пока не видно.
Вызовы и конкуренция
CECIMO признаёт, что Европа сталкивается с растущей конкуренцией со стороны Северной Америки и Азии, где национальные стратегии и инвестиции в АП опережают европейские. Нехватка квалифицированных кадров и технические барьеры, такие как нестабильность качества деталей и сложности постобработки, также тормозят прогресс. Манифест призывает к совместным действиям, но скептики сомневаются, сможет ли AM-Europe эффективно объединить разрозненные усилия 700 компаний и 10 ассоциаций в условиях глобального давления.
Перспективы и вопросы
CECIMO позиционирует AM-Europe как платформу для усиления голоса отрасли в ЕС, но успех инициативы будет зависеть от способности преодолеть финансовые, организационные и политические препятствия. Манифест задаёт амбициозный курс, но без конкретных механизмов реализации и четкого финансирования его цели могут остаться на бумаге.
УОЛТЕМ, МАССАЧУСЕТС – Nano Dimension Ltd. (NASDAQ:NNDM), компания с рыночной капитализацией $320 миллионов, акции которой торгуются вблизи 52-недельного минимума в $1,33, объявила в понедельник, что ее дочерняя компания Desktop Metal, Inc. подала заявление о банкротстве в соответствии с Главой 11 Кодекса о банкротстве.
Решение совета директоров
Решение было принято независимым Советом директоров Desktop Metal после изучения стратегических альтернатив, которые возникли из-за решений, принятых предыдущим руководством Desktop Metal, согласно пресс-релизу компании.
Финансовая стратегия Nano Dimension
Nano Dimension, приобрела Desktop Metal в рамках своей стратегии расширения. Материнская компания, по-видимому, дистанцируется в финансовом плане от своей проблемной дочки.
“Мы защищаем нашу финансовую устойчивость и сохраняем позицию компании с лучшим капиталом в нашей экосистеме”, – заявил Офир Бахарав, генеральный директор Nano Dimension, в своем заявлении. Согласно данным InvestingPro, компания поддерживает сильный баланс с бОльшим объемом денежных средств, чем долга. Ее устойчивый коэффициент текущей ликвидности 14,55. Это указывает на значительное превышение ликвидных активов над краткосрочными обязательствами.
Вызовы Desktop Metal
Desktop Metal, специализирующаяся на технологии 3D-печати, в последние годы столкнулась с трудностями. Они происходили на фоне растущей конкуренции и рыночного давления в секторе аддитивного производства. Для детального анализа финансового состояния Nano Dimension, посетите InvestingPro, где вы найдете комплексный экспертный анализ.
Фокус на цифровое производство
Nano Dimension продолжает фокусироваться на предоставлении технологий цифрового производства для различных отраслей. Подача заявления по Главе 11 позволит Desktop Metal реорганизовать свои долги, продолжая операционную деятельность в процессе банкротства. Влияние на общую деятельность Nano Dimension не было указано в объявлении.
Обновление совета директоров
Среди других недавних новостей, Nano Dimension Ltd. назначила двух новых членов в свой Совет директоров. Энди Сриубас и Эйлин Тангал присоединились к совету, поскольку компания сосредоточена на масштабировании своей единой технологической платформы. Сриубас обладает обширным опытом в области цифровой трансформации и стратегических партнерств. Работая в качестве коммерческого директора в OUTFRONT Media и проведя более 2 х десятилетий в качестве инвестиционного банкира в таких фирмах, как JPMorgan и UBS. Его образование включает степень по финансам Бостонского колледжа. Также имеет профессиональные сертификаты Стэнфордской школы права, MIT xPro и Школы менеджмента MIT Sloan. Эти назначения происходят в то время, когда Nano Dimension переходит от интеграции слияний и поглощений к дальнейшему развитию своих технологий.
Образец недавно разработанного недорогого титанового сплава, полученного методом аддитивного производства (предоставлено Университетом RMIT)
Инженеры из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, создали новый тип титанового сплава для аддитивного производства, который, как сообщается, примерно на треть дешевле, чем обычно используемые альтернативы, за счет использования легкодоступных и более дешевых альтернативных материалов для замены все более дорогого ванадия.
RMIT подал заявку на получение предварительного патента на метод, описанный в Nature Communications. Команда изучает коммерческие возможности для разработки нового недорогого метода для аэрокосмической отрасли и производства медицинского оборудования.
Прочность и преимущества нового сплава
Кандидат наук Центра аддитивного производства RMIT (RCAM) и ведущий автор исследования Райан Брук сказал, что после тестирования сплав показал улучшенную прочность и эксплуатационные характеристики по сравнению со стандартными титановыми сплавами, изготовленными с добавлением добавок, такими как Ti-6Al-4V.
Брук, которая недавно получила стипендию для проведения исследований в области перевода в Мельбурнском королевском технологическом университете, чтобы изучить дальнейшие шаги по коммерциализации технологии, поделилась своим мнением: «3D-печать позволяет производить продукцию быстрее, с меньшими потерями и с большей возможностью персонализации, но мы по-прежнему используем устаревшие сплавы, такие как Ti-6Al-4V, которые не позволяют в полной мере реализовать этот потенциал. Это как если бы мы создали самолёт, а потом просто ездили бы на нём по улицам».
Расширение границ 3D-печати
«Новые виды титана и других сплавов позволят нам по-настоящему расширить границы возможного в 3D-печати, а основа для разработки новых сплавов, описанная в нашем исследовании, — это значительный шаг в этом направлении», — продолжила Брук.
В последнем исследовании описан метод выбора элементов для легирования, позволяющий экономить время и средства и использовать преимущества новой технологии аддитивного производства.
Эта работа представляет собой более чёткую основу для прогнозирования зернистой структуры металлических сплавов, полученных методом аддитивного производства. Благодаря этой системе проектирования сплавы можно изготавливать более равномерно, избегая образования столбчатых микроструктур, которые приводят к неравномерному распределению механических свойств в некоторых материалах.
Решение ключевых проблем 3D-печати
«Разработав более экономичную формулу, позволяющую избежать образования столбчатой микроструктуры, мы решили две ключевые проблемы, препятствующие широкому распространению 3D-печати», — сказал Брук, который недавно завершил проверку рынка в рамках программы CSIRO ON Prime и общался с представителями аэрокосмической, автомобильной и медицинской отраслей. «Конечные пользователи ясно дали понять, что для вывода на рынок новых сплавов преимущества должны быть не просто незначительными, а представлять собой настоящий прорыв, и именно этого мы добились».
«Нам удалось не только производить титановые сплавы с однородной зернистой структурой, но и снизить затраты на их производство, а также сделать их более прочными и пластичными», — добавил Брук.
Автор исследования, профессор Марк Истон, сказал, что RCAM сосредоточен на создании новых совместных проектов для дальнейшего развития технологии. «Мы очень воодушевлены перспективами этого нового сплава, но для его успешного внедрения требуется команда, охватывающая всю цепочку поставок. Поэтому мы ищем партнёров, которые могли бы помочь нам на следующих этапах разработки».
Форум пройдет с 7 по 17 августа в Москве в инновационном центре «Сколково»: деловая программа, выставка лучших технологий и разработок, проектно-образовательный интенсив «Архипелаг», Кубок Мэра по гонкам дронов.
Выставка: 14-17 августа 2025 г. Вход свободный.
Масштабная экспозиция инновационных беспилотников и роботизированных комплексов для ключевых отраслей. Посетители выставки окажутся в самом сердце технологической революции. Здесь роботы оживают и становятся помощниками по самым разным направлениям — от уборки урожая до покупки продуктов.
За дополнительной информацией обращайтесь в информационный центр: contact@mfbs.moscow, +7 495 640 3103
Aconity3D, производитель оборудования для 3D-печати, успешно разработал и протестировал криогенный ракетный двигатель Aerospike, полностью спроектированный с помощью искусственного интеллекта (ИИ) и напечатанный на 3D-принтере как единый монолитный компонент из высокоэффективного аэрокосмического медного сплава (CuCrZr). Примечательно, что двигатель прошёл испытания с первой попытки.
Двигатель был изготовлен с использованием системы AconityMIDI+ от Aconity3D, которая оптимизирована для LPBF и использует лазер IPG YLR 3000/1000 AM. Процесс удаления порошка был выполнен немецким специалистом Solukon, а Институт лазерных технологий им. Фраунгофера (ILT) провел критическую термообработку. Подготовку и экспертную поддержку во время тестирования обеспечила британская команда Race 2 Space Team Университета Шеффилда.
Криогенный воздушно-реактивный ракетный двигатель. Изображение предоставлено Aconity3D.
LEAP 71 и инженерное проектирование на основе ИИ
Aconity3D отмечает, что свою роль в прогрессе сыграло изменение методологии проектирования. Двигатель был полностью разработан с помощью Noyron — крупномасштабной вычислительной инженерной модели искусственного интеллекта, разработанной инженерной компанией из Дубая LEAP 71. В отличие от традиционных процессов проектирования, управляемых человеком, Noyron самостоятельно сгенерировал конструкцию ракетного двигателя Kerolox с аэродинамическим соплом мощностью 5 кН всего за несколько минут.
Подход LEAP 71 способствует развитию инженерии за счёт преобразования физических, геометрических и эксплуатационных ограничений в исполняемые алгоритмы, что позволяет искусственному интеллекту исследовать варианты проектирования, выходящие за рамки традиционной человеческой интуиции. Это нововведение выводит ИИ за рамки инструмента и позволяет ему действовать самостоятельно, как инженеру, создавая готовую к производству геометрию оборудования без ручного вмешательства.
Компания Aconity3D отметила, что воздушно-реактивные двигатели представляют собой сложную инженерную задачу из-за своей нетрадиционной «вывернутой наизнанку» конструкции. Такая конструкция обеспечивает более высокую эффективность на разных высотах за счёт отсутствия необходимости в больших вакуумных соплах, но при этом возникают сложности с производством и охлаждением — проблемы, которые исторически ограничивали их применение.
Демонстрация аддитивного производства
Двигатель, напечатанный на 3D-принтере, имеет внутреннюю сеть каналов регенеративного охлаждения, предназначенных для циркуляции жидкого кислорода (LOX) и керосина, что помогает регулировать температуру в камере сгорания. В этой системе нагретый керосин смешивается с газообразным кислородом и воспламеняется, создавая тягу.
«Изготовление такого элемента из CuCrZr в виде цельной монолитной детали с учётом внутренних потоков и тепловых нагрузок демонстрирует возможности передовых систем аддитивного производства Aconity3D и готовность проектов, созданных с помощью искусственного интеллекта, к использованию в реальных условиях», — заявили в компании.
После успешного испытания двигателя мощностью 5 кН разработка теперь сосредоточена на версии мощностью 20 кН, работающей на метане и жидком кислороде. Несмотря на то, что работа находится на ранней стадии, она указывает на потенциальный путь к созданию более эффективных ракетных двигателей за счёт интеграции проектирования с использованием искусственного интеллекта и передовых технологий аддитивного производства.
Технология ColdSpray для быстрого ремонта или придания поверхностям деталям новых свойств (TWI Ltd)
Терморегулирование и инновационные материалы
Современные технологии терморегулирования и аддитивного производства меди открывают новые горизонты в создании высокоэффективных систем охлаждения и теплопередачи. Инновационные материалы и методы обработки позволяют достичь рекордных показателей теплопроводности, долговечности и энергоэффективности. В этой части мы рассмотрим ключевые разработки в области терморегулирования, включая передовые теплообменники, алмазно-медные композиты, графен-модифицированные порошки и технологию холодного напыления.
Теплообменники нового поколения
Компании Addtoshape S.r.L и CoolestDC представили революционные решения в производстве теплообменников с использованием аддитивных технологий. Addtoshape разработала биметаллические медные теплообменники с бионическими каналами охлаждения и интегрированными температурными датчиками. Эти устройства на 40% компактнее традиционных аналогов и демонстрируют на 35-40% более высокую тепловую эффективность. CoolestDC совместно с EOS создала интегрированные охлаждающие пластины для центров обработки данных, обеспечивающие температурную стабильность с отклонением всего ±0,5°C. Эти решения снижают энергопотребление на 15-20% и увеличивают плотность оборудования на 50-70%, что делает их идеальными для высоконагруженных серверных стоек и силовой электроники.
Алмазно-медные композиты
Прорывная разработка Харбинского технологического института — алмазно-медные композиты — демонстрирует теплопроводность до 700 Вт/(м·К), что почти вдвое превышает показатели чистой меди. Эти материалы сочетают в себе высокую теплопередачу с низким коэффициентом теплового расширения (≤10×10⁻⁶ K⁻¹), что критически важно для аэрокосмической техники и электроники. Технология включает струйное нанесение алмазного порошка с медным связующим и последующее спекание, что позволяет создавать сложные бионические структуры с интегрированными теплоотводами. Применение таких композитов в космических аппаратах, процессорных системах охлаждения и термоядерных установках открывает новые возможности для управления тепловыми потоками в экстремальных условиях.
Графен-модифицированные порошки
Совместные исследования Уппсальского университета и Graphmatech привели к созданию графен-модифицированных медных порошков, которые кардинально меняют подход к лазерной 3D-печати. Покрытие частиц порошка графеном толщиной 10-50 нм снижает отражательную способность меди с 95% до 28% для ИК-лазеров, что значительно улучшает качество плавления. Детали, напечатанные из таких порошков, обладают плотностью 99,2-99,5% и теплопроводностью 410 Вт/(м·К). Эти материалы особенно востребованы в электронике для производства теплоотводящих подложек и 3D-печатных шин питания, а также в аэрокосмической отрасли для создания сопловых вкладышей и систем охлаждения двигателей.
Холодное напыление для ремонта
Технология холодного газодинамического напыления (ColdSpray) меди, разработанная Plasma Giken, предлагает уникальный метод ремонта и модернизации металлических деталей без термического воздействия. Частицы меди напыляются со скоростью 300-1200 м/с при температуре 30-500°C, формируя слои с прочностью 90-110% от основного металла. Этот метод исключает деформации и коррозию, характерные для традиционной сварки, и сокращает время ремонта в 3-5 раз. Применяется для восстановления посадочных поверхностей, уплотнительных участков и создания биметаллических деталей в аэрокосмической, энергетической и транспортной отраслях. Например, ремонт турбинных лопаток или коленвалов с использованием этой технологии увеличивает их срок службы в 2-3 раза.
Технология ColdSpray для быстрого ремонта или придания поверхностям деталям новых свойств (TWI Ltd)
Инновации в области терморегулирования и материаловедения, такие как алмазно-медные композиты и графен-модифицированные порошки, задают новые стандарты эффективности и надежности. Технологии холодного напыления и аддитивного производства теплообменников демонстрируют, как современные методы обработки меди могут решать сложные инженерные задачи. Эти разработки не только улучшают эксплуатационные характеристики устройств, но и способствуют устойчивому развитию, снижая энергопотребление и материальные отходы. Будущее терморегулирования — за интегрированными, многофункциональными решениями, созданными с учетом экстремальных условий и требований цифровой эпохи.
Совершенство и дефекты в аддитивном производстве меди
Аддитивное производство меди представляет собой сложный технологический процесс, где малейшие отклонения могут привести к критическим дефектам. Особенно это актуально для аэрокосмической отрасли, где требования к качеству деталей исключительно высоки. Основные проблемы включают различные виды пор, трещин и структурную неоднородность.
Как отмечают эксперты, обработка чистой меди сопряжена с дополнительными сложностями. «При печати чистой медью требуется значительный подогрев плиты построения, — поясняет эксперт Константин Бабкин. — Однако при температурах выше 100°C начинается активное спекание и окисление порошка даже при минимальном содержании кислорода в защитной атмосфере. Это неизбежно приводит к снижению электропроводности – ключевого свойства меди».
«На практике наибольшее применение для L-PBF-технологии находят малолегированные бронзы с высокой тепло- и электропроводностью (содержащие около 99% меди). Опыт синтеза малолегированных бронз показывает практическую применимость ИК-лазеров — стандартного оборудования для L-PBF как в России, так и за рубежом. Критическим параметром является температура подогрева плиты построения: её изменение даже на 50°C приводит к резкому увеличению дефектов (пор и несплавлений) в структуре материала. Экономический аспект также играет важную роль: при нагреве до 150–200°C происходит интенсивное окисление порошка, контактирующего с деталью. Для повторного применения таких оборотных порошков задача отделения окисленных частиц от годных к повторному применению представляется крайне сложной. По факту же, печать с относительно высокими температурами подогрева плиты построения (в зависимости от плотности заполнения плиты построения) часто ограничивается однократным применением металлопорошковых композиций из-за невозможности отделения годного порошка», — делится опытом Алексей Мазалов, генеральный директор АО «ЦАТ».
Inconel 718 и GRCop-42
Для преодоления этих ограничений инженеры разрабатывают специализированные сплавы. Никелевые составы типа Inconel 718 демонстрируют исключительную термостойкость, титановые сплавы сочетают легкость и прочность, а медные композиции вроде GRCop-42 обеспечивают превосходное терморегулирование.
Термическая обработка играет ключевую роль в достижении оптимальных характеристик. В то время как никелевые сплавы приобретают дополнительную прочность за счет пластичности, алюминиевые составы становятся более гибкими. Ряд медных сплавов (например, GRCop) сохраняет уникальный баланс прочности и термостойкости, оставаясь устойчивыми к многократным тепловым нагрузкам.
Таким образом, аддитивное производство меди требует тщательного контроля всех параметров процесса — от состава защитной атмосферы до режимов термической обработки. Только комплексный подход позволяет минимизировать дефекты и получить детали, соответствующие самым строгим промышленным требованиям.
Влияние ИИ на проектирование и управление качеством в аддитивном производстве меди
Искусственный интеллект перестал быть вспомогательным инструментом — он стал ключевым фактором преобразований в работе с медью. В авангарде этой революции компания LEAP 71 (ОАЭ), бросившая вызов традиционному инженерному процессу. Их вычислительная модель Noyron заменила ручное CAD-моделирование автономным генеративным проектированием. Задавая параметры, — тягу, тип топлива, термонагрузки, ИИ создает оптимизированную конструкцию за минуты вместо месяцев. Например, жидкостный ракетный двигатель тягой 5 кН был спроектирован ею за 2 недели, а клиновоздушный (от англ. aerospike, аэроспайк) — за 3 недели.
Для меди, капризной и требовательной, это прорыв: Noyron создает системы охлаждения с каналами переменного сечения до 0,8 мм в камерах сгорания из CuCrZr, где керосин циркулирует, отводя тепло от стенок, нагретых до 3000°C. В двигателе аэроспайк ИИ решил проблему перегрева центрального шипа, спроектировав сеть микроканалов, по которым жидкий кислород снижает температуру с 3500°C до 250°C на поверхности. Выбор CuCrZr здесь не случаен — сплав сочетает теплопроводность (~330 Вт/(м·К)), прочность (450 МПа) и технологичность печати на оборудовании EOS M290.
Клиновоздушный двигатель с тягой на 5 кН (LEAP 71)
Испытания 2024
Испытания в июне 2024 года в Великобритании стали триумфом подхода: данный двигатель проработал 11 секунд на жидком кислороде и керосине, подтвердив стабильность тяги с первой попытки. Данные тестов автоматически загружались в Noyron, запустив цикл самообучения для корректировки будущих конструкций. Это замкнуло петлю «проектирование — производство — верификация», сократив путь от чертежа до огневых испытаний с месяцев до недель.
Но ИИ меняет не только проектирование — он трансформирует контроль качества на молекулярном уровне. Системы компьютерного зрения на базе сверточных нейронных сетей CNN (от англ. Convolutional Neural Networks) анализируют видео печати в реальном времени, выявляя дефекты слоев: нитеобразные структуры из-за неточностей температуры, отклонения в выкладке порошка или сплавлении меди. Датчики в установках L-PBF отслеживают стабильность плавления, предупреждая о риске пористости в медных сплавах. Алгоритмы научились прогнозировать деформации меди при нагреве платформы свыше 100°C и корректировать параметры «на лету», минимизируя окисление порошка. А инструменты с проверкой печати могут автоматически анализировать 3D-модель на совместимость с медными сплавами: они проверяют минимальную толщину стенок (от 0,3 мм), углы свеса, термоусадку, рекомендуя постобработку, — например, горячее изостатическое прессование (HIP) для GRCop-84, повышающее плотность до 99,5%. Для повторного использования порошка ИИ оценивает уровень окисления частиц CuCrZr, сокращая отходы на 15–30% и экономя до $50/кг.
Итоги испытаний
Ключевые прорывы здесь — в устранении «слепых зон» производства. Традиционный подход требовал 3–6 месяцев ручных итераций для проектирования; ИИ сокращает его до 2–3 недель. Визуальный осмотр деталей после печати снижал брак на 20–30%; мониторинг слоя CNN повысил эффективность до 40%. Проблема непроплавления (LOF-пор), характерная для ИК-лазеров из-за отражения от меди, при использовании синих лазеров с их высоким поглощением (65-70%) существенно снижается.
Гибридные ИИ-системы объединят генеративный дизайн (как Noyron) с контролем качества в реальном времени, сжимая цикл «проектирование — испытания» до одной недели. Цифровые двойники медных компонентов — теплообменников, сопел ракетных двигателей — будут предсказывать износ на основе данных испытаний, аналогичных тем, что получены для GRCop-84. А ИИ-стандартизация порошков решит проблему разброса свойств материалов: алгоритмы прогнозируют поведение медных композиционных материалов (графен-Cu, алмаз-Cu) при печати, гарантируя стабильность параметров от партии к партии.
ИИ не просто оптимизирует процессы — он создает инженерный язык, на котором медь, древний и капризный металл, обретает новую выразительность. Широкий спектр применений — от создания сложных криволинейных каналов в ракетных двигателях до изготовления микрорадиаторов с идеальной геометрией — это стало уже нашей реальностью, выкованной алгоритмами.
Заключение
Аддитивное производство меди — это не просто технологический прорыв, а настоящая революция, которая перекраивает границы возможного. Медь, когда-то капризный металл, сопротивлявшийся традиционным методам обработки, превратилась в материал будущего, открывающий двери для инноваций в электронике, энергетике, аэрокосмической и других ведущих и наукоемких отраслях. Зеленые и синие лазеры стали тем волшебным ключом, который позволил раскрыть её потенциал, создавая детали с недостижимой ранее точностью и эффективностью.
Но самое удивительное — это даже не сами технологии, а то, как они меняют наше представление о производстве. Где раньше требовались десятки деталей и сложные сборки, теперь появляются единые, генеративно оптимизированные конструкции. Где когда-то были ограничения, теперь — свобода для инженерной мысли. Медь, многовековой спутник человечества, обретает новую жизнь, становясь материалом для космических двигателей, теплоотводов и энергоэффективных электромоторов.
Будущее уже здесь, и оно блестит медным отливом. Остается только задаться вопросом: какие ещё горизонты откроются, когда мы научимся полностью понимать этот удивительный металл? Одно можно сказать наверняка — путь вперёд будет таким же ярким, как луч лазера, плавящий медь в нечто совершенно новое.
Ознакомьтесь с нашими другими статьями, по этой теме:
Аддитивное производство меди открывает новые горизонты в создании электродвигателей, предлагая инновационные решения для повышения их эффективности, снижения веса и улучшения терморегулирования. Технологии 3D-печати, такие как SLM и Binder Jetting, позволяют изготавливать сложные компоненты, которые невозможно получить традиционными методами. Особое внимание уделяется обмоткам и роторам, где медь играет ключевую роль благодаря своей высокой электропроводности и теплопроводности. Порошки для 3D-печати медью стали важной частью производства и
3D-печать обмоток: L-PBF и Binder Jetting
Лазерная технология L-PBF/SLM, использующая чистый медный порошок, обеспечивает максимальное заполнение пазов (до 95%) и снижение электрического сопротивления на 15-20%. Это достигается за счет оптимизированного поперечного сечения витков и интеграции теплоотводящих каналов, что устраняет локальные перегревы. Например, метод L-PBF позволяет создавать обмотки с интегрированными системами охлаждения, что значительно улучшает тепловые характеристики двигателей.
Binder Jetting, в свою очередь, предлагает экономические преимущества: сокращение производственных этапов на 40%, снижение энергозатрат на 35% и минимизацию отходов материала (до 98% использования). Хотя точность этого метода (±50 мкм) уступает L-PBF (±20-30 мкм), он идеально подходит для серийного производства, где важны скорость и стоимость.
Медные роторы: сравнение литья и L-PBF
Традиционное литье медных роторов обеспечивает высокую электропроводность, но ограничено в сложности конструкции. В отличие от него, L-PBF позволяет создавать роторы со свободной геометрией, оптимизированным распределением материала и интегрированными системами охлаждения. Например, L-PBF-печать роторов для электромобилей демонстрирует снижение потерь на 15-25% и увеличение общего КПД двигателя на 3-5%. Однако себестоимость L-PBF пока остается высокой, что делает эту технологию более подходящей для премиальных решений.
Кейсы Ford, GH Induction и Additive Drives
Компания Ford внедрила 3D-печатные индукционные нагреватели муфты переключения передач в трансмиссии Ford Transit, используя электроннолучевую технологию E-PBF. Результаты показали равномерное распределение тепла при температурах выше 800°C, повышение стабильности работы на 30% и снижение энергопотребления на 15-20%.
GH Induction разработала технологию 3DPCoil, основанную на E-PBF, для производства медных катушек с интегрированным охлаждением. Такие катушки обладают повышенной энергоэффективностью (92% против 75% у традиционных) и ресурсом, превышающим 150 000 циклов.
Additive Drives представила революционное решение для 3D-печатных обмоток статора, обеспечивающее коэффициент заполнения до 65% и снижение потерь энергии на 25-30%. Их технология позволяет создавать индивидуальные витки с переменной толщиной проводника, что значительно улучшает тепловые и электрические характеристики двигателей.
Электродвигатель с большой долей напечатанных компонентов. Фото: Additive Drives
Энергоэффективность и терморегулирование
Аддитивные технологии позволяют оптимизировать конструкции электродвигателей, интегрируя сложные системы охлаждения и улучшая распределение тепла. Например, 3D-печатные обмотки с микроканалами охлаждения снижают температуру на 15-20°C, что увеличивает срок службы двигателей на 30-40%. Кроме того, использование медных сплавов, таких как CuCrZr, обеспечивает высокую теплопроводность и устойчивость к термическим нагрузкам.
Внедрение этих технологий уже демонстрирует значительный экономический эффект: снижение себестоимости на 15-20%, сокращение сроков разработки в 3-4 раза и уменьшение эксплуатационных затрат до 30%. Перспективы включают дальнейшую интеграцию с цифровыми системами управления, разработку композитных материалов и автоматизацию производственных процессов.
Таким образом, 3D-печать меди в электродвигателях не только повышает их производительность, но и открывает путь к созданию более компактных, легких и энергоэффективных решений для различных отраслей промышленности.
Аэрокосмические решения. Порошки для 3D-печати медью
Медные сплавы, разработанные NASA, такие как GRCop-42 и GRCop-84, стали ключевыми материалами в аэрокосмической промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Эти сплавы на основе меди с добавлением хрома и ниобия обладают высокой теплопроводностью (300–320 Вт/(м·К)), термостойкостью (до 800°C) и механической прочностью (предел прочности до 550 МПа). Их применение в камерах сгорания ракетных двигателей позволяет выдерживать экстремальные температуры и давления, обеспечивая долговечность и надежность. Например, сплав GRCop-84 используется в моноблочных камерах сгорания с интегрированными системами охлаждения, что значительно снижает вес и повышает эффективность двигателей.
Одним из успешных примеров применения этих сплавов является двигатель Launcher E-2, где GRCop-42 использовался для создания камеры сгорания методом L-PBF. Этот подход сократил количество деталей на 80% и уменьшил время производства с 6–8 месяцев до 3–4 недель. Другой кейс — Rocket Lab, которая применяет GRCop-84 в своих ракетных двигателях, сочетая его с титаном и никелевыми сплавами для создания гибридных конструкций. Такие решения обеспечивают увеличение тяги на 15–20% и снижение массы на 25–35%.
Биметаллическая камера сгорания: внутренняя часть изготовлена из сплава GRCop -84 по технологии L-PBF, а внешняя – из Inconel 625 по технологии EB-DED (NASA)
Гибридные решения
Гибридные конструкции, объединяющие медь и никель, открывают новые возможности в аэрокосмической технике. Например, камеры сгорания, напечатанные методом DED (Р), сочетают жаропрочные никелевые сплавы (Inconel 718) с медными компонентами (GRCop-42), что улучшает теплопередачу и снижает термические напряжения. Такие конструкции демонстрируют увеличение теплопроводности на 180–200% и ресурса на 300+ циклов по сравнению с традиционными аналогами.
Технологии аддитивного производства, такие как L-PBF, DED (P) и E-PBF, играют важную роль в создании этих инновационных решений. L-PBF обеспечивает высокую точность (±50 мкм) и плотность (99,5+%), что критично для прецизионных деталей. DED (P) позволяет производить крупногабаритные компоненты с интегрированными системами охлаждения, а E-PBF, работая в вакууме, идеально подходит для обработки чистых медных сплавов с минимальным окислением. Например, в проекте LCUSP NASA использовало L-PBF для печати камер сгорания из GRCop-84, которые успешно выдержали давление свыше 1400 psi и температуру до 3000°C.
Проектирование DfAM
Также очень часто в аддитивном производстве используются все преимущества проектирования DfAM, что подтверждается применением ячеистых структур и трижды периодических минимальных поверхностей, ТПМП (англ. Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMS). Эти структуры представляют собой сложные геометрические фигуры с нулевой средней кривизной, которые периодически повторяются в трех измерениях. Среди наиболее известных примеров таких поверхностей — гироид (Gyroid), алмазная (Diamond) и примитивная (Primitive/Schwarz P) структуры. Эти уникальные формы обладают рядом преимуществ, делающих их особенно ценными для аддитивного производства.
Одним из ключевых достоинств ТПМП является их высокая удельная прочность, достигаемая за счет оптимального сочетания пористости и жесткости. Благодаря сложной геометрии эти структуры эффективно передают тепло и жидкости, что открывает широкие возможности для создания высокопроизводительных теплообменников и биосовместимых имплантов. Кроме того, использование таких поверхностей позволяет значительно снизить вес деталей без ущерба для их прочности, что особенно важно в аэрокосмической отрасли, где каждый грамм на счету.
В аддитивном производстве ТПМП находят применение в самых разных областях.
В аэрокосмической промышленности они используются для создания облегченных, но прочных компонентов.
В инженерных системах ТПМП улучшают гидродинамику теплообменников, повышая их эффективность.
Таким образом, трижды периодические минимальные поверхности открывают новые горизонты для аддитивных технологий, позволяя создавать инновационные изделия, которые невозможно получить традиционными методами изготовления. На фото можно посмотреть подробнее.
Сектор камеры сгорания с трижды периодическими минимальными поверхностями TPMS, напечатанный из меди по технологии L-PBF: модель CAD (a); деталь после удаления порошка (b); готовая деталь после пескоструйной обработки (с) (Singh Khandpur et al. Metals 2024, 14(12), 1464)
Что дальше?
Перспективы развития включают дальнейшую оптимизацию составов сплавов, например, разработку GRCop-90 с повышенным содержанием ниобия, а также внедрение цифровых технологий, таких как ИИ-оптимизация конструкций и предиктивное моделирование износа. Эти инновации позволят создавать еще более эффективные и надежные аэрокосмические системы, сокращая сроки разработки и снижая затраты.
Ознакомьтесь с нашими другими статьями, по этой теме:
