Ученые ТГУ разрабатывают методы 3D-печати многокомпонентных металлических и керамических деталей

 

Ученые физико-технического факультета Томского государственного университета в сотрудничестве со специалистами Института физики прочности и материаловедения СО РАН разрабатывают методы 3D-печати деталей сложной формы из высокоэнтропийных сплавов, содержащих пять и более металлических компонентов. Второе направление исследований — 3D-печать керамическими материалами. В обоих случаях используются композиции на основе нано- и микрочастиц.

Новые композиции позволят освоить аддитивное производство деталей из высокоэнтропийных сплавов, которые сложно или невозможно изготовить с помощью традиционной 3D-печати. Использование наночастиц также повысит плотность керамических деталей и улучшит их физико-механические свойства. Следовательно, расширятся возможности отечественных предприятий в создании высокотехнологичной продукции, например каталитических блоков или керамических деталей для электротехнической, химической и других отраслей промышленности, сообщает пресс-служба вуза.

Ученым физико-технического факультета ТГУ продлили грантовую поддержку Российского научного фонда. Руководитель проекта «Разработка научно-технических основ аддитивного формования сложнопрофильных структур из металлических, металлокерамических и высокоэнергетических материалов экструзией термопластичных многофазных композиций» — главный научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии физико-технического факультета ТГУ Марат Лернер.

Проведенные ранее эксперименты показали, что композиции, наполненные металлическими или керамическими нано- и микрочастицами, имеют высокую текучесть, что позволяет изготавливать детали с помощью обычных экструзионных 3D-принтеров. При последующем спекании 3D-печатных заготовок в вакуумных печах формируются детали из металлов или керамики.

Использование нано- и микрочастиц разных материалов дает возможность создавать детали из металлов с различными теплофизическими свойствами, поэтому наиболее перспективная область применения — аддитивное производство деталей сложной формы из многокомпонентных материалов.

«В рамках первого гранта, с 2021 по 2024 год, мы работали с металлами. Особенность способа печати, который мы применяем, в том, что можно печатать из многокомпонентных металлических, металлокерамических и композитных материалов. Методы печати, использующие высокоэнергетическое воздействие, например лазерное излучение, при нагревании порошков, содержащих элементы с сильно отличающимися температурами плавления, приводят к тому, что легкоплавкий металл испаряется. А мы можем печатать из сплавов, либо композитов, содержащих компоненты с различными температурами плавления, сохраняя исходный состав материала», — рассказал Марат Лернер.

Новый грант Российского научного фонда, полученный в 2025 году, поможет расширить возможности ранее разработанной технологии — применить композиции из нано- и микрочастиц в производстве деталей сложной формы из многокомпонентных сплавов и керамик.

Ранее ученые ТГУ и ИФПМ СО РАН впервые разработали научно-технические основы аддитивного формования сложнопрофильных структур из металлических и металлокерамических материалов методом экструзии термопластичных композиций, содержащих нано- и микрочастицы. Также научная группа выяснила, что замена части микрочастиц наночастицами повышает плотность деталей из оксида алюминия (Al2O3) за счет снижения пористости. Экструзия наполненных нано- и микрочастицами композиций позволяет относительно дешево и быстро изготавливать керамические детали сложной формы и высокой плотности. Недостатком существующих сегодня методов 3D-печати керамических деталей как раз является относительно невысокая плотность.

Однако для формования небольших керамических деталей с высокой точностью и чистотой поверхностей наиболее перспективен метод не экструзии, а фотополимеризации в ванне — стереолитографии. Предполагается, что применение композиций из нано- и микрочастиц для формирования керамических деталей фотополимеризацией позволит снизить и вязкость системы «порошок-фотополимер», и остаточную пористость после спекания. В результате повысятся физико-механические свойства изделий.

Для решения задач проекта будут получены смеси нано- и микрочастиц высокоэнтропийных сплавов состава NiFeCoCrMoCu и NiFeCoCrAlCu, а также керамик из оксидов алюминия и циркония.

«Обобщение полученных данных позволит создать научно-технические основы аддитивного формования деталей сложной формы из высокоэнтропийных материалов и керамик для решения различных практических задач. Кроме того, снижение расходов на оборудование и повышение качества деталей сделают аддитивное производство доступнее для многих российских компаний. Среди российских компаний уже есть заинтересованные, готовые приобретать наши материалы для печати изделий. Это предприятия из Москвы, Ярославля, Воронежа», — рассказал Марат Лернер. 

Источник: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/ucenye-tgu-razrabatyvayut-metody-3d-pecati-mnogokomponentnyx-metalliceskix-i-keramiceskix-detalei