Фото. 3D-принтер для лазерной наплавки металла, приспособленный учёными из Сколтеха к печати металлической пены. Источник: Олег Дубинин/Сколтех

Учёные из Сколтеха нашли способ печатать на 3D-принтере металлическую пену — особую форму металла, пригодную, например, для очистки нефти и газа от примесей, отвода тепла от горячих элементов кондиционера, гашения вибраций и звукоизоляции в автомобилях, самолётах и другом транспорте или на производстве. Новый подход к производству пенометалла экономит сырьё, электроэнергию и время и снижает расходы на производство. Кроме того, расширяются возможности тонкой настройки свойств материала: можно варьировать размер и плотность расположения пор от одного участка детали к другому. Методика описана в статье, опубликованной в Journal of Porous Materials.

Пенометалл — класс материалов, внешне похожих на жёсткую губку из металла. Они лёгкие, пористые и обладают большой прочностью на сжатие. Применяется металлическая пена в фильтрах для удаления примесей из нефти и газа. Она также хорошо подходит для звуко- и виброизоляции, например шумного отсека с корабельным двигателем. Кроме того, из-за наличия пор у пены высок показатель удельной площади поверхности на единицу объёма, поэтому она может выступать в роли своего рода хай-тек-аналога рёбер охлаждения — так называются пластины вроде тех, что торчат из радиатора отопления и эффективно отдают тепло в окружающее пространство. 

Есть два традиционных подхода к изготовлению пенометалла: горячее прессование порошка и вспенивание расплава металла инертным газом. Научная группа из Сколтеха под руководством старшего преподавателя Станислава Евлашина предложила альтернативную методику, которая обещает сделать процесс производства более эффективным и управляемым с точки зрения тонкого контроля свойств материала.

Первый автор исследования, старший инженер Олег Дубинин из Центра технологий материалов Сколтеха, так объяснил основную суть метода прямой печати пенометалла: «Мы адаптировали к изготовлению пенометалла лазерную наплавку — распространённый метод 3D-печати, который изначально рассчитан на изготовление монолитных деталей либо наплавление покрытий. Мы уже показали, что такой подход применим к титану, алюминию и алюминиевой бронзе, но будут эксперименты и с другими металлами и сплавами. При этом не требуется никаких модификаций оборудования: всего лишь скорректировав ряд параметров программного обеспечения, мы расширяем возможности 3D-печати». 

Печать происходит следующим образом: металлический порошок поступает в потоке инертного газа в зону действия лазера, который нагревает поверхностный слой частиц, сплавляя их друг с другом и с подложкой — так и получается металлическая пена. Основные отличия от обычной лазерной наплавки металла — значительно более низкая мощность лазера и точно откалиброванная скорость подачи порошка. Правильно подобранное сочетание этих параметров позволяет печатать изделия из пенометалла на обычной установке для лазерной наплавки.

По словам авторов статьи в Journal of Porous Materials, прямая печать имеет ряд преимуществ перед традиционными подходами к изготовлению металлической пены в части эффективности и себестоимости. 

Используемые сейчас методы включают две стадии производства. Первый вариант предполагает изготовление пористой металлической заготовки, которой затем придают нужную геометрию путём механической обработки. Второй вариант — изготовить форму и затем, собственно, выполнить с её помощью отливку или прессование изделия. Так или иначе, наличие подготовительной стадии производства повышает расход сырья и времени. А при использовании прямой печати не нужна оснастка для пресс-формы, не остаётся металлической стружки от постобработки и в целом не требуется оборудования помимо 3D-принтера, что тоже сокращает себестоимость продукта. 

Показатель энергоэффективности тоже высок, поскольку используется маломощный лазер. Если сравнивать со стандартной лазерной наплавкой цельнометаллического изделия, там мощность излучения выше примерно в 20 раз.

Ещё одно преимущество связано с долей открытых пор в изделии. 3D-печать позволяет довести этот показатель почти до 100%, что важно для фильтрации и отведения тепла. Открытые поры создают сеть каналов, сообщающихся с внешним миром. В закрытые поры проходящий через пену поток жидкости или газа не попадает, поэтому они бесполезны для фильтра. И рассеиванию тепловой энергии они тоже не способствуют.

В отличие от традиционных методов, которыми производится пена с однородной пористостью, прямая печать даёт возможность филигранно контролировать размер и плотность расположения пор в каждой точке изделия. Допустим, можно сделать такой фильтр, размер пор в котором постепенно уменьшается по мере продвижения от точки входа к точке выхода, разделив его таким образом на зону грубой и зону глубокой очистки. 

Подобным образом можно варьировать даже химический состав пены. Скажем, если она используется для отведения тепла, то вблизи места контакта с очень горячей деталью целесообразна высокая доля жаропрочного металла, например титана. По мере отдаления от источника тепла, состав изделия может смещаться в сторону большего содержания, предположим, алюминия. Высокая теплопроводность этого металла поможет быстрее сбрасывать тепловую энергию в окружающую среду.