Уральские разработки притягивают

Мировой рекорд по магнитным свойствам напечатанных на 3D-принтере опытных изделий установили на Урале

Фото Оксаны Мелещук, УрФУ

Ученые Уральского федерального университета создают технологию, позволяющую серийно печатать на 3D-принтере миниатюрные сложноконструкционные изделия с заданными магнитными свойствами

Сотрудникам отдела магнетизма твердых тел Уральского федерального университета удалось установить мировой рекорд по магнитным свойствам напечатанных на 3D-принтере опытных изделий: достигнуты наибольшая величина остаточной индукции и максимальное энергетическое произведение.

— Это имеет большое значение для практического применения, — комментирует младший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Виктория Мальцева. — Магнитные свойства оцениваются на единицу объема. Чем меньше требуется материала с улучшенными свойствами, тем меньших размеров магниты или магнитныех системы мы сможем использовать. Соответственно, можно сделать что-то компактное и легкое. Например, микроэлектродвигатели и электрогенераторы, на которых работают кардиостимуляторы. Другое их возможное применение — электротранспорт. Мы планируем исследовать возможности создания роторов для таких электродвигателей совместно с Росатомом.

Встроиться в цепочку

Виктория Мальцева — молодой ученый, занимающаяся исследованием магнитных свойств металлических изделий, которые печатаются на 3D-принтере. Во всем мире подобные разработки проводят всего пять-семь научных групп, исследовательская команда УрФУ под руководством Алексея Волегова — одна из сильнейших на планете.

В рамках госпрограммы «Приоритет-2030» исследователи УрФУ занимаются ЗD-печатью металлических изделий из порошков на основе железа и оксидных включений. «Это слоистые композитные структуры, которые можно использовать, например, вместо трансформаторных сталей. Трансформатор представляется как некое огромное устройство, состоящее из множества металлических листов. Мы же посредством 3D-печати можем делать сложные и при этом малогабаритные детали сразу в размер, без какой-либо дополнительной обработки», — поясняет Виктория Мальцева.

Индустриальный партнер университета по данному направлению — государственная корпорация «Росатом», заинтересованная в разработке и внедрении технологии получения постоянных магнитов (изделия, сохраняющие состояние намагниченности в течение длительного времени, применяются в качестве автономных источников магнитного поля в высокоэффективных электродвигателях и генераторах). Росатом ставит перед собой задачу увеличения отечественного производства магнитов с 50 до 1000 тонн в год. Но помимо массового выпуска такой продукции важно отладить также изготовление сложноконструкционных микроэлектромеханических магнитных систем, состоящих из механических элементов, датчиков, электроники, приводов. И в этом как раз наибольшую эффективность показывает способ 3D-печати.

Используемый в УрФУ 3D-принтер изготовлен немецкой фирмой, но существенно модернизирован уральскими учеными / Фото Оксаны Мелещук, УрФУ

— Аддитивное производство должно быть встроено в полную цепочку изготовления Росатомом постоянных магнитов, — рассказал Алексей Волегов. — Компания «Русатом МеталлТех» (отраслевой интегратор по металлургическому направлению Топливной компании Росатома «ТВЭЛ») планирует открыть в Глазове крупное производство постоянных магнитов. Рассчитываем на сотрудничество с этим предприятием, чтобы часть продукции изготавливать с помощью 3D-печати. Такие магнитные системы можно будет ставить в ротор двигателя без дополнительных сборок, это полностью готовая деталь.

В рамках Единого отраслевого тематического плана НИОКР Росатома ученые УрФУ в 2022 году разработали лабораторные технологии, позволяющие получать на 3D-принтере постоянные магниты сложных форм с пространственно распределенными магнитными свойствами. В планах — через три-четыре года создать такую технологию, которую можно было бы внедрить на предприятиях Росатома для серийного производства. После создания такой технологии время на изготовление магнитной системы электродвигателя, генератора или другого устройства вместо нескольких дней или недель сократится до нескольких часов и позволит существенно ускорить принятие конструкторских решений при разработке российских изделий, замещающих импортные аналоги, быстро верифицировать результаты расчетов параметров изделия.

Но для этого требуются и высокотехнологичные средства производства — 3D-принтеры, способные печатать металлические изделия с заданными магнитными свойствами. «Это еще одно важное направление нашего сотрудничества с Росатомом, который занимается в том числе и промышленным выпуском 3D-принтеров, — отмечает Алексей Волегов. — Производство постоянных магнитов с помощью 3D-печати — довольно специфическое, поэтому будем обмениваться опытом. Мы знаем, как делать магниты, а Росатом знает, как делать принтеры. Наше сотрудничество должно дать синергетический эффект».

Своим путем

Образцы постоянных магнитов исследователи УрФУ печатают на единственном 3D-принтере немецкого производства, приобретенном три года назад. К счастью, теперь наши ученые не зависят от поставок с Запада запчастей и расходных материалов: все наловчились изготавливать самостоятельно, вплоть до металлических порошков, сложную рецептуру которых определяли опытным методом (из-за чего, кстати, принтер однажды сломался, но был починен и теперь представляет собой, по сути, сильно модернизированную уральскую версию).

— Помимо принтера в нашей лаборатории имеется измерительное оборудование, на котором мы исследуем магнитные свойства получаемых образцов, это два магнитно-измерительных комплекса, — поделилась Виктория Мальцева. — Также используем набор вакуумных печей, в том числе российского производства. Есть станция просеивания порошков, используемых в ЗD-принтере, пескоструйный аппарат для удаления посторонних частиц с поверхности готовых изделий. Мы оснащены всей необходимой техникой для проведения исследований.

В научной группе, возглавляемой Алексеем Волеговым, работают семь основных сотрудников и еще до десяти человек тех, кто так или иначе сталкивается по роду своей деятельности с проблематикой магнетизма твердых тел, в том числе аспиранты и студенты. Виктория Мальцева связывает с научной работой в Уральском федеральном университете свое будущее: «У нас собрался очень дружный коллектив, общаемся на одном, всем понятном языке. Каждый новый день не похож на предыдущий. Поэтому нам здесь очень весело и интересно. В материально-техническом плане мы обеспечены поддержкой по программе «Приоритет-2030», грантами и хозяйственными договорами с индустриальными партнерами. В следующем году планирую защитить диссертацию, стать кандидатом физико-математических наук, продолжить заниматься исследованиями и преподавать в университете».