Тонкостенные металлические конструкции привлекают повышенное внимание благодаря их широкому применению в космической и автомобильной отраслях, особенно в качестве устройств поглощения энергии. За счёт оптимизации формы и расположения ячеек элементарной структуры такие конструкции способны существенно повышать эффективность демпфирования ударных нагрузок и улучшать способность к поглощению энергии. В последние годы, по мере развития технологий аддитивного производства металлов (AM), в частности прогресса в технологии металлической фузинговой печати (FDM), изготовление сложных тонкостенных металлических конструкций стало более эффективным и гибким. Металлическая FDM‑технология обеспечивает создание сложных металлических структур за счёт трёх основных этапов: печати, деполимеризации и спекания; её преимущества заключаются в том, что она позволяет избежать макро‑ и микроскопических дефектов разделения элементов, возникающих при плавлении металла, одновременно снижая производственные затраты и упрощая процесс печати. Кроме того, поскольку металлический порошок обволакивается связующим веществом, эта технология эффективно предотвращает риск взрыва порошка.

Несмотря на многочисленные преимущества металлической технологии FDM, процесс удаления смазки по‑прежнему сопряжён с рядом трудностей. Традиционные методы обезжиривания — такие как обезжиривание органическими растворителями, каталитическое обезжиривание, водное обезжиривание и термическое обезжиривание — зачастую требуют сложных технологических циклов и применения токсичных химических реагентов, что повышает производственные затраты и усиливает экологическую нагрузку. Особенно в случае толстостенных деталей использование лишь термического обезжиривания может приводить к образованию пузырей или трещинам, что делает разработку безреагентного процесса металлической FDM‑печати актуальной задачей. Поэтому создание технологии металлической FDM, не требующей химических обезжиривающих средств и эффективно предотвращающей повреждение структуры, имеет важное значение для широкого внедрения тонкостенных металлических конструкций в практическое применение.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, в состав которой вошли Институт металлов Китайской академии наук, Даляньский университет транспорта и другие организации, провела углублённые исследования с использованием настольных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании «ZEPTOOLS». Они совместно исследовали методику получения тонкостенных металлических конструкций без применения химических депрессующих агентов на основе технологии аддитивного производства путём расплавленного наплавления (FDM) в сочетании с процессом термической депрессии, а также подтвердили повышение их способности к поглощению энергии. Результаты исследования открывают новые подходы к безопасному и эффективному изготовлению сложных тонкостенных металлических конструкций. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials под названием «Fabrication of Thin-Walled Metal Structures with Enhanced Energy Absorption Capabilities by Metal-Fused Deposition Modeling without Using Debinding Chemical Reagents»; ссылка на оригинальную статью: https:// doi.org/10.1002/adem.202402792

Основное содержание данной работы посвящено разработке высокопроизводительных тонкостенных металлических конструкций с использованием технологии аддитивного производства методом наплавки расплавленного металла (FDM) в сочетании с процессом термической деполимеризации. Вначале исследовательская группа проанализировала фундаментальные принципы и технологический цикл FDM‑печати с применением металлических материалов, используя в качестве исходного сырья проволоку Ultrafuse 316L, содержащую порошок нержавеющей стали 316L и связующее вещество. Печать осуществлялась на промышленном FDM‑принтере; были оптимизированы параметры печати — температура экструзии, температура платформы, скорость подачи и высота слоя — с целью обеспечения высокой плотности получаемых изделий и хорошего качества их поверхности. В зелёных заготовках после печати порошок нержавеющей стали равномерно обволакивается связующим веществом; однако из‑за высокого содержания металлического порошка в отдельных участках образуются микропоры, которые в ходе последующих стадий деполимеризации и спекания существенно влияют на свойства материала.

В дальнейшем основное внимание было уделено разработке и оптимизации процесса термической деполимеризации; с помощью термогравиметрического анализа (TGA) команда установила диапазон температур разложения связующего вещества и разработала соответствующую схему термической деполимеризации в условиях вакуума и аргоновой среды. Исследование показало, что термическая деградация связующего преимущественно протекает в интервале от 260 до 400 °C, при этом наиболее быстрая потеря массы наблюдается при 380 °C. Для оценки эффективности термической деполимеризации была проведена систематическая экспертиза образцов различной толщины с целью выявления возможных явлений вздутия и растрескивания во время этого процесса. Результаты продемонстрировали, что при толщине стенки менее 0,45 мм эти дефекты можно надёжно предотвратить; однако по мере увеличения толщины стенки рост внутреннего газового давления приводит к деформации конструкции или её растрескиванию. Это предоставляет важные ориентиры для последующего выбора технологических параметров.

После успешного проведения термической деполимеризации команда провела спекание коричневых деталей. Процесс спекания состоял из двух стадий: сначала температура была повышена до 600 °C для удаления остаточного связующего вещества каркаса, затем — до 1380 °C и выдержка в течение 180 минут, что способствовало формированию спекательных шеек между частицами и обеспечению высокой плотности металлических деталей. Анализ микроструктуры материала после спекания показал, что в ходе процесса поры постепенно закрываются и сферизуются, в результате чего формируется компактная структура, состоящая из аустенитных зерен, внутри которых присутствуют отжиговые двойники. Такие особенности микроструктуры свидетельствуют о том, что с помощью технологий термической деполимеризации и спекания удалось успешно получить высокопроизводительную нержавеющую сталь 316L.

В заключение команда провела всесторонние испытания механических свойств спечённых материалов. Проведённые испытания на твёрдость и растяжение подтвердили, что изготавливаемая данным методом нержавеющая сталь 316L обладает твёрдостью около 144 HV, пределом текучести 189 МПа и пределом прочности при растяжении 407 МПа; эти характеристики сопоставимы со свойствами материалов, полученных традиционным металлическим FDM‑процессом с использованием химических дефатирующих агентов. Кроме того, команда оценила способность тонкостенных металлических конструкций к поглощению энергии в рамках квазистатических испытаний на сжатие; результаты показали, что их энергопоглощающие свойства превосходят аналогичные показатели у подобных конструкций, изготовленных методом лазерного сплавления порошкового слоя (LPBF). Данное исследование не только продемонстрировало практическую осуществимость технологии металлического FDM без применения химических дефатирующих агентов, но и предложило новую технологическую стратегию для создания сложных тонкостенных металлических конструкций, применимых в области поглощения энергии.

Стационарный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании «ZEPTOOLS» — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным экспериментам in situ. Устройство предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, отличается простотой эксплуатации — с ним легко справятся и непрофессионалы; при этом стоимость приобретения и обслуживания значительно ниже, чем у напольных сканирующих электронных микроскопов. В настоящее время оно уже стало одним из наиболее популярных решений среди многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.