СФ ФИАН
Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Основная идея и направления нашей НИР «Исследование и разработка технологических процессов Лазерного Синтеза Объемных Изделий – (ЛСОИ)» впервые были предложены в 1993-1994 г.г. заведующим лабораторий технологических лазеров (ныне руководителем СФ ФИАН) к.ф.-м.н. Петровым А.Л., заведующим лабораторией автоматизации исследований к.ф.-м.н. Мнацаканяном Э.А. и первым руководителем нашей группы с.н.с., к.ф.–м.н. Куприяновым Н.Л.
Суть ЛСОИ и основные термины изложены в многочисленных наших работах. Поэтому в настоящем изложении отдана дань исторической перспективе и путях развития наших идей.
Мне, как «новоиспеченному» кандидату наук (в 1992 г. мною была защищена диссертация на тему «Теоретическое моделирование физических процессов лазерной закалки сталей») было предложено «попробовать свои силы на экспериментальном поприще».
Наша группа включала тогда следующих сотрудников:
Помнится, мы вели сразу 3-4 бюджетные темы, часть из которых уже закрыта или успешно завершена. О том, что данная тема «проживет» так долго – мы естественно не догадывались.
За эти «трудные» годы многие из названных сотрудников перешли работать в другие подразделения (темы) или уволились из СФ ФИАН. Но их вклад в разработку темы остался. Это - д.ф-м.н., в.н.с. Гуреев Д.М., к.т.н. Кузнецов С.И., к.т.н. Камашев А.В., вед. инж. конструктор Климов Н.А. Сейчас к нам пришли и молодые кадры, начинавшие с дипломных работ по этой теме: н.с. Тарасова Е.Ю., инженеры Щербаков В.И., Панин А.С., Крючкова Г.B. Мы работали и работаем в тесном сотрудничестве с сотрудниками Самарских университетов – классического (кафедры Органической химии и физики твердого тела), технического (кафедры общей и лазерной физики, материаловедения и группы СВС) аэрокосмического (второй факультет).
Практически весь 1993 г. мною был потрачен на изучение литературы и вхождение в тему. Так как мы начинали с нуля, необходимо было понять уровень проводимых за рубежом исследований и определить наше место. Нужно сказать, что в России и странах СНГ это направление лазерной технологии в то время ни кем не развивалось. Среди нас существовали почти юношеские надежды на «быстрое» возрождение Российской промышленности и востребованность наших идей.
Эксперименты мы c Куровым А.Ю. начинали проводить совсем с другой методики реализации ЛСОИ, то есть путем лазерной стереолитографии. С большим трудом приобрели на полузакрытом предприятии жидкую олигомерную композицию – ОКМ-2 и пытались отверждать ее ультрафиолетом от ртутной лампы и маломощного азотного лазера.
Одна из задумок состояла в том, чтобы попытаться провести полимеризацию ОКМ-2 не в УФ, а в видимой области спектра, добавив соответствующий ингибитор в олигомер.
Здесь надо вспомнить ту неоценимую помощь, что оказали нам на стадии вхождения в предмет исследований к.х.н. Балан Н. и к.ф-м.н. Соловьев В. сотрудники СамАГУ - ИСОИ. Однако если сама возможность сдвига в видимую область нами была показана экспериментально, то малая мощность наших источников УФ (время отверждения доходило до 30 мин!), сводила на нет все наши усилия.
Поэтому нам, как людям, долгое время занимавшихся традиционными лазерными технологиями (лазерные закалка, легирования, сварка, резка, наплавка и т.п.) и имеющих материаловедческое образование, более перспективной показалась другая методика реализации ЛСОИ – селективное лазерное спекание (СЛС). Так к концу 1994 г. сформировалось основное направление наших работ. Появившаяся в нашем распоряжении лазерная технологическая маркировочная установка КВАНТ-60 (рис.1, лазер на YAG-Nd+3) и СО2 лазер ИЛГН-701, сопряженный с координатным столом АП-400 укрепили нас в наших начинаниях.
Рис. 1. Установка КВАНТ-60.
Изучив порошковые материалы, традиционно используемые при СЛС (воск, нейлон, АБС пластик, поликарбонат), мы поняли, что наши усилия целесообразно направить на совмещение разнородных порошковых материалов при спекании и поиск перспективных в этом смысле порошковых композиций. Метал - полимерные порошковые композиции оказались очень привлекательными как с научной (исследовались физика и химия скоростного лазерного спекания), так и с технологической точки зрения («высокая» прочность спекаемых образцов, хорошая воспроизводимость опытов и т.д.).
Параллельно с научной частью работ фактически с нуля велись интенсивные НИОКР по созданию стенда для послойного СЛС и написанию программного обеспечения. По преобразованию объемных графических форматов файлов в плоскостные и программы управления ходом лазерного луча (Нефедов С.В, Багров В.В., Саченко А.И).
В 1995-1996 гг. было разработано, изготовлено и успешно функционирует следующее оборудование:
В наших работах впервые (1995-1996 гг.) было предложено и экспериментально обосновано и подтверждено заявкой на изобретение использование металл полимерных (наплавочный порошок на основе латуни + поликарбонат и никеля + полиамид) композиций для СЛС объемных изделий (рис.2).
Рис. 2. Образцы изделий из металл полимерных композиций.
Фактически была реализована схема жидкофазного спекания, когда легкоплавкое связующее (полимер) под действием сфокусированного лазерного луча плавилось и приводило к локальному склеиванию тугоплавкого наполнителя (металл) «термопластичным клеем». Была продемонстрирована перспективность этих композиций не только на длине волны 1,06 мкм. но и 10,6 мкм. При этом физика взаимодействия лазерного излучения с порошками на этих длинах волн оказалось различной. Нами изучались особенности физико-химических процессов при СЛС как отдельных монослоев так и простейших объемных фигур. Исследовались оптические, тепловые, механические характеристики как исходных материалов, так и готовых объемных изделий (табл.1, рис.3).
| твердость по Бринелю | |
| модуль Юнга | |
| плотность | |
| шероховатость поверхности Ra | |
| коэффициент теплового расширения | |
| пористость | |
| проницаемость | |
| скорость прохождения звуковых волн | |
| коэффициент Пуассона |
Табл. 1. Некоторые физико-механические свойства синтезированных изделий из МПК:
Рис. 3. Виды разрушений образцов из МПК.
В плане поиска новых соединений для СЛС (1996-97 гг.) нам представлялось полезным расширить этот подход на случай биметаллических композиций (наплавочные порошки + припой) с сильно различающимися температурами плавления (аналог процесса пайки). Не менее интересным оказалось изучение возможности совмещения СЛС порошков с процессом СВС также в надежде получить объемные детали с расширенным спектром функциональных возможностей (интерметаллиды). Предложенное и успешно реализованное на практике совмещение процесса СЛС, с процессами лазерной пайки и контролируемого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), что позволило на новом качественном уровне говорить о расширении функциональных возможностей синтезируемых трехмерных изделий.
Рис. 4. Интерметаллид - никелид титана, синтезирован при совмещении СЛС и СВС.
Еще одним из перспективных направлений является использование керамических порошковых материалов. В 1997-98 гг. были предприняты попытки лазерного синтеза и последующего послойного спекания ЦТС керамики, исследовались условия ее поляризации и пъезосвойства.
Фирмы - производители технологических установок для СЛС (DTM Co., Austin, Texas, USA и EOS GmbH, Germany) и работающие с ними в сотрудничестве научные коллективы ведут интенсивный поиск новых порошковых материалов. Это связано с растущими областями применения СЛС прототипов и возрастающими требованиями к их функциональным возможностям. Все больший интерес проявляют потребители данной технологии к металлическим и керамическим порошковым материалам. Синтезируемые из них объекты могут служить не только в качестве моделей деталей машин, но и непосредственно работать в технологическом цикле. Это показывает, что наши работы по поиску перспективных порошковых смесей ведутся в правильном направлении.
Миниатюризация и компьютерное моделирование физических, химических, биологических и/или механических свойств, реально синтезируемых затем объемных изделий - это магистральные направления технологии Rapid Prototyping & Manufacturing в 21 веке. Процессы, происходящие при СЛС, также требуют более тщательного изучения с целью выбора оптимальных режимов спекания и минимизации затрат на ряде технологических операциях. Поэтому актуальной задачей для себя мы считаем как поиск новых порошковых соединений и сред, позволяющих спекать объекты с требуемыми на практике физико-биологическими, физико-химическими и физико-механическими характеристиками, так и изучение особенностей процесса спекания в этих средах в сочетании с широкими возможностями по компьютерному моделированию перечисленных выше свойств на стадии CAD/CAM.
Результаты наших исследований могут быть использованы в медицине (протезирование вживляемыми имплантантами), в нефте-газо-химии (фильтрующие, каталитические элементы), электротехнике (пьезо элементы) а также в автомобильной, авиационной и других отраслях точного машиностроения. Другими словами, область применения охватывает любую отрасль промышленности, где существуют задачи моделирования и быстрого прототипирования из предлагаемых порошковых материалов:
Рис. 5. Фильтрующие элементы из МПК, синтезированные методом СЛС.
Технология СЛС позволяет создавать трехмерные объекты, послойно формируя на мезоуровне градиент функциональных свойств будущего изделия. Средства CAD/CAE, которые естественным образом интегрированы в процесс СЛС, позволяет создавать функционально градиентные структуры не только по - атомно (микро уровень или нанотехнологии), но и отдельными структурными блоками (частицами, зернами, доменами), что соответствует идеологии проектирования на мезоуровне. Моделируя укладку (степень связности структуры) порошковой композиции и ее концентрационный состав, открывается возможность создания интеллектуальных микроустройств (англ. термин MicroElectroMechanical Systems (MEMS) devices) - сенсоров, фильтров, пъезодетекторов, пъезонасосов и т.д. Такие устройства это не просто сумма (набор) микро или мезо структурных компонент. Каждый отдельный элемент (частица, зерно, домен) связан и взаимодействуют с другими и с окружающей средой. Можно говорить об открытой системе, разделенной на иерархические уровни. Средством описания характера поведения отдельных компонентов мезоструктуры и их взаимосвязей является известный метод конечных элементов, реализованный в настоящее время в широко известных программных продуктах - ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, STAR и т.п.
Направления наших текущих исследований:
Еще одним направлением нашей деятельности совместно с вузами Самарского региона мы считаем подготовку специалистов для работы в этой технологии.
В период с 1995 г. по результатам научных исследований было опубликовано более 40 статей в реферируемых научных журналах, трудах международных конференций. Направлено порядка десятка заявок на изобретения.
По данной тематике в Самарском Государственном Техническом Университете и Самарском Государственном Университете было защищено несколько десятков бакалаврских, инженерных и магистерских дипломов. С момента начала сотрудники группы участвуют в Федеральной Государственной Программе «Интеграция» Высшей школы и учреждений РАН.
Группа является победителем 6-го конкурса-экспертизы 1999 г. научных проектов молодых ученых РАН по фундаментальным и прикладным исследованиям (ПОСТАНОВЛЕНИЕ РАН от 24 апреля 2001 года № 123). «Синтез имплантантов на основе никелида титана методом селективного лазерного спекания»