— К идее трёхмерной печати мы шли сразу несколькими путями, — рассказал их провожатый. — Первый — порошковая металлургия. Второй — построение из керамических порошков сложных стержней для литья. Третий — получение армированных конструкций из композиционных материалов.
Задачу нам поставили ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения) и производители турбинных лопаток для реактивных двигателей. У них постоянно повышается температура перед турбиной, чем она выше, тем эффективнее работает двигатель. Сейчас они пришли к тому, что газ перед турбиной разогрет выше температуры плавления металла турбинных лопаток. Без охлаждения лопаток и прочих деталей изнутри турбина уже работать не может. Чтобы сделать эффективное охлаждение, нужно сделать внутри деталей каналы достаточно сложной формы. При этом лопатки турбины должны выдерживать очень высокие механические нагрузки, поэтому их пробуют отливать из специальных монокристаллических сплавов. Чтобы получить каналы внутри отливки, делают вот такой стержень из специальной керамики, — Андрей Геннадьевич показал им керамическую деталь очень хитрой формы, как бы состоящую из многих параллельных и переплетённых между собой прутков. — Потом, после отливки, керамику вытравливают из каналов химическим путём.
Само собой, с появлением металлических порошков мы начали пробовать использовать их вместо расплава. Обычное спекание порошка не даёт нужной прочности. Александр Григорьевич Мержанов из Института химической физики предложил нам интересную технологию силового СВС-компактирования. Это так называемый самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Порошковая смесь металлов запрессовывается в форму, поджигается, металлы реагируют между собой и быстро сплавляются. В процессе плавки заготовка дополнительно прессуется. Всё бы хорошо, но далеко не все материалы способны на такую реакцию. Но это было уже достаточно серьёзное продвижение. Особенно когда мы попробовали делать таким образом не отдельные лопатки по одной, а целое турбинное моноколесо — диск с лопатками, составляющими с ним единое целое, — Андрей Геннадьевич показал им диск небольшой турбины. — Такое колесо можно сделать намного более лёгким, дешёвым и компактным. Очень важно для реактивных двигателей небольшой мощности и размеров.
Ещё одно преимущество порошковой металлургии — деталь получается намного быстрее и отходов почти не остаётся, а ведь сплавы, используемые в двигателях, очень дорогие. Для сравнения: вот такую деталь, — он показал им цилиндрическую деталь очень хитрой формы, со множеством каналов, — на обычных металлорежущих станках будут делать два месяца и 60-70 процентов металла заготовки уйдёт в стружку. Мы её можем вырастить за пару дней, и отходов у нас почти нет — неиспользованный порошок можно применять снова.
— А разве стружку нельзя снова переплавить? — спросил Дима.
— Можно, конечно, но в стружку обычно попадают примеси, она окисляется при переплавке, в общем, с этим всё тоже не просто. Намного удобнее отлить деталь из порошка в форме целиком, с заданной чистотой поверхности, — Андрей Геннадьевич показал им разъёмную металлическую форму для литья под давлением. — Проблема в том, что и формы для литья, и стержни для образования каналов имеют, как видите, весьма сложную конфигурацию. Делать их фрезерованием тоже очень дорого и долго. Когда мы увидели установку непрерывной разливки бетона, что показали наши строители в 1958 году на Бельгийской выставке (АИ, см. гл. 03-03), сразу подумали — вот бы сделать что-то подобное, но поменьше, чтобы получать сложные детали послойным наплавлением. К тому времени уже появились станки гидроабразивной резки для раскроя стального листа по программе (см. гл. 03-02). Мы попробовали заменить на таком станке водяное сопло на плазменную горелку, и подавать в факел металлический порошок. Вместо резки станок начал наплавлять металл.
Они подошли к станку с вакуумной камерой, внутри которой, подсвеченная лампами, медленно вращалась деталь, напоминающая сопло ракетного двигателя. По её краю словно бы ездила небольшая каретка, от которой отходили провода и трубочки. Из-под неё был виден свет расплавленного металла, край сопла, выходящий из-под каретки, светился красным.
— С плазмой получалось не особо хорошо, — пояснил Андрей Геннадьевич, — поэтому попытались заменить плазмотрон сначала мощной электронно-лучевой трубкой, той, что используется для сварки. Там были свои проблемы — электронно-лучевая сварка обычно производится в вакуумной камере. Пробовали даже использовать солнечный свет, сфокусированный с помощью больших линз Френеля. В Средней Азии такую установку построили. (приблизительный аналог https://www.youtube.com/watch?v=BVXj8kxuHUk).
— А точность фокусировки у неё достаточная? — уточнил Юревич.
— Оптическую систему пришлось довольно сложную сделать, но там проблема даже не в этом. Продолжительности светового дня не всегда хватает на построение сложной детали, а для равнопрочности желательно, чтобы процесс был непрерывным.
Прорыв получился, когда попробовали использовать для генерации излучения стекло с добавлением неодима, а в Институте кристаллографии и в НИИ-333 была освоена технология выращивания кристаллов алюмоиттриевого граната оптического качества, также легированных неодимом. На них удалось построить твердотельный оптический квантовый генератор, или, как сейчас их чаще называют в зарубежной литературе — лазер, достаточно высокой мощности, чтобы он мог наплавлять на металл подаваемые в луч частицы металлического порошка.
(Первый лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) появился в июне 1962. http://www.nanometer.ru/2010/05/27/12749637953393_214038.html В 1966 реальной истории Н.И.Сергеевой в НИИ-333 были выращены первые в СССР кристаллы алюмоиттриевого граната с неодимом, и из них изготовлены активные элементы для лазеров (Л.В.Касьянова, Г.М.Ромадин). https://www.polyus.info/company/history/)
Андрей Геннадьевич подвёл гостей к другому станку, выдал им защитные очки. В камере, под кожухом из притемнённого стекла, медленно двигался по направляющим стол с деталью, над которым была неподвижно укреплена подающая порошок головка. Луч лазера входил в неё, отражаясь от зеркала. Обработанный край детали слегка светился красным светом, быстро остывая.
— Этот станок может выращивать детали из металла, расплавляя порошок. Это называется 'селективное лазерное сплавление'. Есть ещё 'селективное лазерное спекание', очень похожий процесс, но частицы порошка не расплавляются, а спекаются друг с другом, — пояснил их провожатый. — С порошками тоже не всё просто, нужна высокая чистота компонентов и точно выдерживаемый размер частиц. Порошками нас обеспечивает ВИАМ. (Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов). Тут интересно, что по нескольким каналам подачи можно подавать разные порошки. Часто лопатки делаются из одного жаростойкого сплава, а диск колеса — из другого. Раньше такие колёса делали сборными, сейчас станок может выращивать моноколесо уже с лопатками, но из разных сплавов. Пока есть ограничения по прочности. Чаще таким способом делаем металлические литейные формы.
— Стержни для литья делаются из специальной керамики, — сопровождающий показал им соседний станок. — Здесь уже стол с деталью неподвижен, а движется печатающая головка. Порошок смешивается со связующим и ложится слой за слоем, образуя деталь. Для стержней сверхвысокая прочность не требуется, их потом всё равно вытравливают из лопатки, чтобы от них остались только каналы для охлаждения.
— А металлокерамические лопатки вы делать не пробовали? — спросил Юревич.
— Эта работа у нас только начинается, — Андрей Геннадьевич показал им выращенную керамическую лопатку. — Специальная керамика выдерживает очень высокую температуру без охлаждения, прочность у неё тоже впечатляющая, но там много своих тонкостей с составом порошков.
— А как эти станки управляются? — спросил Дима. — Я помню, что установка непрерывной разливки бетона считывала послойные фотошаблоны, но одно дело — стены дома, они вертикальные, там шаблонов надо три — четыре на этаж, а тут формы намного сложнее.
— Первые модели мы пробовали делать просто по копиру, — Андрей Геннадьевич показал им выращенное из порошка сопло ракетного двигателя. — Сейчас станками управляют ЭВМ, — их гид проводил гостей в соседний зал, где стояли сразу несколько новых управляющих ЭВМ УМ-1НХ. — Каждым станком управляет своя машина, потому что трёхмерная модель, в зависимости от её сложности, может занимать достаточно много памяти. Приходится считывать информацию в оперативную память станка послойно. Мы используем специальный промежуточный формат данных, что-то вроде массива из трёх координат, который генерится для каждого слоя.
Им показали и сам процесс создания трёхмерных моделей. Инженеры за пультами работали световым пером, выбирая точки графических примитивов и задавая с клавиатуры их координаты, а машина перестраивала по ним изображение детали на экране. Деталь изображалась в виде облака точек, либо в виде 'проволочной графики' или закрашенной 'полигональной графики'.
(Трёхмерные возможности первого редактора инженерной графики Sketchpad (1963) 3 of 3 — 3D Graphics https://www.youtube.com/watch?v=t3ZsiBMnGSg
Трёхмерная графика на 8-битном компьютере ZX Spectrum
https://www.youtube.com/watch?v=kcVjLnAWYQA
https://www.youtube.com/watch?v=MJ8F4EXpq10
Игры с полигональной графикой на ZX Spectrum speccy.info/Полигональная_графика )
— Первые опыты с компьютерной графикой, сначала двумерной, у нас начали в 1959 году, (АИ частично, см. описание в гл. 04-20) Программу разрабатывали несколько лет, прежде, чем появилась возможность создавать в ней относительно простые трёхмерные модели, — рассказал Андрей Геннадьевич, — Пока нам мешают довольно жёсткие ограничения по объёму памяти, приходится сдерживать фантазию, используя, в основном, комбинации тел вращения и прочих простых геометрических фигур. Но даже так получается очень большой выигрыш по времени и экономия материалов. Запрограммировать такую бабочку, как вы показывали, можно, но она памяти займёт, как моноколесо турбины.
— Какую бабочку? — сидевшие за пультами инженеры разом повернулись к ним.
Дима достал из коробочки привезённую для демонстрации заколку, сделанную Мариной. Их тут же обступили несколько человек:
— Это как сделано? Пластик расплавленный? Чем?
Дима достал своё изобретение и наглядно показал процесс создания модели, нарисовав детали и собрав из них домик.
— Я эту машинку назвал 'трёхмерная ручка'. Потому что ей можно рисовать пластиком, как авторучкой, — пояснил он. — Бабочек этих вообще-то не я делал, это девочка одна, она вообще ещё школьница.
— Так, погоди, а пруток этот пластиковый откуда брали?
— Сами делали, из бытовых отходов. Я экструдер сделал, с подогревом, из винта для мясорубки, с моторчиком... — пояснил Дима.
— Едрёна вошь! Просто и со вкусом!
— Да, но точность никакая. Это для разных поделок годится, а для серьёзной работы нужна трёхмерная модель...
— Так тут принцип важен, печать расплавленным термопластом, а двигать каретку программно мы уже умеем!
— Мы с пластиками тоже работаем, но у нас, в основном, используется углепластик и стекловолокно с пропиткой связующим и последующим отверждением, — пояснил Андрей Геннадьевич, проведя гостей в следующую лабораторию.
Здесь из композитных материалов машины по программе выклеивали сложные решётчатые детали, чем-то напоминающие фермы мостов или стрелу подъёмного крана, но, в основном, круглой или усечённо-конической формы.
— Углепластик и стеклопластик имеют разные механические характеристики вдоль и поперёк волокон, — пояснил их провожатый. — Сначала мы пробовали укладывать их послойно в разных направлениях, стараясь получить изотропный материал, но потом подумали — а ведь анизотропию свойств можно использовать, если располагать волокна вдоль направления основной нагрузки. Получаются очень лёгкие и высокопрочные конструкции. (https://additiv-tech.ru/publications/additivnye-tehnologii-dlya-kompozitnyh-materialov.html)
— Да, это чем-то похоже на то, что мы делали вручную, — Дима с интересом разглядывал почти невесомую опорную ферму, которую ему разрешили подержать.
(Я так примерно в 1988 году корпус РДТТ из стеклопластика поднял и офигел. Он был длиной метра три, и почти ничего не весил.)
Под конец экскурсии им ещё показали построение высокоточных моделей из фотополимерной смолы, отверждаемой засвечиванием ультрафиолетовым лучом или проектором. В первом случае луч ультрафиолетового лазера светил в медленно опускающуюся ванну с фотополимером, и в ней, постепенно отверждаясь, вырастало изделие.
— Эту технологию мы ещё только осваиваем. Её можно использовать для быстрого прототипирования, — пояснил Андрей Геннадьевич. — Пластмасса получается достаточно твёрдая, в тонких слоях даже упругая, но не слишком прочная. Фотополимерная смола — сырьё довольно дорогое. Модель строится очень долго, зато можно получать ажурные и очень точные изделия.
Для ускорения процесса используется другой способ — ванна с полимером освещается снизу ультрафиолетовым проектором сквозь фотошаблон. В этом случае модель постепенно поднимается и растёт 'вверх ногами'. Недостатки те же, но построение происходит быстрее.
Дима внимательно разглядывал оба станка:
— Долго модель строится? А не пробовали подсвечивать модель в ванне сразу несколькими лазерами с разных сторон? Если строится модель небольшого изделия, то ускорение построения может получиться значительное. (Реально существующая технология https://www.vesti.ru/doc.html?id=3239553)
Инженеры переглянулись:
— Гм... А это идея, молодой человек... — медленно произнёс Андрей Геннадьевич. — Надо попробовать, только вот хватит ли быстродействия ЭВМ, чтобы двигать сразу несколько лучей... Нет, действительно неплохая идея! Попробуем!
Встреча получилась очень интересной. Как оказалось, механизмы подачи и движения кареток для станков разрабатывали в ленинградском Политехе, и Евгений Иванович Юревич имел к этой разработке непосредственное отношение (АИ).
— Это хоть и не робототехника, но близкое к ней направление, потому что станки трёхмерной печати тоже работают под управлением ЭВМ в автоматическом режиме. Ну, и их возможности по созданию самых разных деталей очень сложной формы тоже могут быть использованы в робототехнике, — Юревич прямо на станке показал Диме, какие именно механизмы были разработаны под его руководством студентами и аспирантами Политехнического института.
Их проводили обратно в кабинет директора НИИ-160. Сергей Иванович приветливо улыбаясь, поинтересовался:
— Ну, как вам наши успехи?
— Впечатляет, — честно ответил Дима.
— Ну, вам, молодой человек, тоже удалось нас удивить. Не хотите ли после института работать у нас?
— Сейчас, наверное, рано загадывать, — Дима никак не ожидал, что его поделкой студенческого уровня заинтересуются такие люди. — Надо сначала институт закончить. И вообще я хотел робототехникой заниматься...
