Основой любого современного производства являются материалы. Именно их свойства определяют надежность авиационных двигателей, энергетических установок, медицинских имплантатов и других высокотехнологичных изделий. При этом сегодня инженеры все чаще выбирают не существующий материал, а проектируют новый под конкретную задачу. Этот подход отражает эволюцию в мировой промышленности. Глобальный рынок аддитивного производства достиг 24,2 млрд долларов, увеличившись за год на 10,9%. При этом наиболее быстро растут не продажи оборудования, а сегменты материалов и производственных сервисов, что свидетельствует о переходе отрасли от создания прототипов к серийному производству изделий. О том, как порошковая металлургия и аддитивные технологии меняют промышленность и какие компетенции будут востребованы в инженерии будущего, рассказал «Коммерсанту» доктор технических наук Евгений Левашов, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ МИСИС.
Инженерия начинается не с детали
Современные технологии предъявляют к материалам требования, которые невозможно выполнить только за счет химического состава, хотя, безусловно, он остается важным. Зачастую решающее значение приобретает фазовый состав и структура. Два изделия могут быть изготовлены из одного и того же сплава, но обладать совершенно разными свойствами. Размер зерен, распределение фаз, наличие дефектов, особенности обработки — эти параметры определяют прочность, износостойкость, жаропрочность и долговечность. Поэтому сейчас материаловедение становится наукой об управлении структурой вещества и поиске новых сочетаний фазовых состояний.
Именно этим объясняется стремительное развитие порошковой металлургии. Работа начинается с отдельных частиц, параметры которых можно контролировать заранее. Такой подход позволяет управлять будущей микроструктурой материала практически с самого начала технологического процесса. Размер частиц, их химический состав, распределение упрочняющих фаз — все это задается еще до формирования изделия. По сути, инженер работает уже не только с металлом, а с его архитектурой на микро- и наноуровне.
Аддитивные технологии изменили представление о производстве
Похожая ситуация складывается и с аддитивными технологиями. Сегодня такую печать нередко воспринимают как универсальный способ изготовления деталей любой геометрии. На самом деле 3D-принтер — лишь один из инструментов. Ключевую роль по-прежнему играет материал. Если порошок нестабилен по гранулометрическому составу или содержит отклонения по химии, никакое современное оборудование не обеспечит качественный результат. Ключевое преимущество аддитивных технологий заключается не столько в возможности печатать изделия, сколько в свободе проектирования. Можно создавать конструкции сложной геометрии, облегченные решетчатые структуры и другие элементы, которые невозможно изготовить традиционными методами.
Еще одно направление, которое развивается особенно быстро, — инженерия поверхности. Во многих случаях нет необходимости менять всю деталь целиком, достаточно усовершенствовать верхний слой. Современные функциональные покрытия позволяют существенно повысить износостойкость, окислительную и коррозионную стойкость, обеспечить биосовместимость и антибактериальные свойства изделия без изменения основы конструкции. Такой подход одновременно снижает расход дорогостоящих материалов и значительно увеличивает срок службы оборудования и инструмента.
Главный вызов — не оборудование
Все активнее в материаловедении используются методы компьютерного моделирования. Они позволяют прогнозировать фазовые превращения, рассчитывать механические характеристики и оценивать свойства материала еще до изготовления первого образца. Однако полностью заменить эксперимент цифровые модели пока не способны. Сегодня лаборатория строится на сочетании вычислительных методов и реальных испытаний. Именно такая комбинация позволяет существенно сократить путь от научной идеи до промышленного применения.
Распространено мнение, что развитие отрасли ограничивает нехватка передового оборудования. На практике значительно более серьезной проблемой становится дефицит специалистов. Современный инженер-материаловед должен одновременно понимать физику процессов, химию материалов, особенности технологий получения покрытий, методы исследования структуры и владеть цифровыми инструментами моделирования.
Фактически материаловедение превратилось в одну из самых междисциплинарных инженерных областей. Поэтому подготовка специалистов все больше строится вокруг реальных исследовательских проектов, где студент проходит полный цикл — от синтеза порошка и создания материала до анализа его структуры и испытания готового изделия.
Такой подход реализован, в частности, в образовательной программе специализированного высшего образования «Новые материалы. Порошковые и аддитивные технологии», которая развивается в НИТУ МИСИС в рамках пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования. Работа с индустриальными партнерами позволяет студентам еще во время обучения решать реальные производственные задачи и получать опыт, востребованный современной промышленностью.
От выбора материала — к проектированию свойств
В ближайшие годы способность управлять внутренней структурой материалов станет одним из ключевых факторов технологического развития. Аддитивное производство, функциональные покрытия, высокотемпературные керамики, порошковые материалы с заданной микроструктурой и цифровое моделирование объединяются в единую инженерную систему.
Главное изменение заключается даже не в появлении новых технологий. Меняется сама философия материаловедения. Если раньше инженеры выбирали материал под изделие, то теперь все чаще сначала проектируют необходимые свойства, а затем создают материал, который сможет их обеспечить.
