В рамках гранта федеральной целевой программы учёные ТУСУР в сотрудничестве с НЦ «Сигма.Томск» (Томский Нанотехнологический центр РОСНАНО) создали первую в мире установку для вывода электронного пучка в атмосферу на основе электронной пушки с плазменным эмиттером. Полученные результаты технологических экспериментов, проводимых в ТУСУР, дают возможность создания нового типа оборудования для 3D печати, конкурентоспособного на рынке аддитивных технологий. Также с помощью этого оборудования можно будет получать нанопорошки, осуществлять электронно-лучевую наплавку и создавать трёхмерные изделия методами послойного спекания.

Электронная пушка с плазменным эмиттером является уникальной разработкой учёных ТУСУР. Никому в мире до сих пор не удалось создать аналогичное устройство для получения пучка электронов с такими же высокими характеристиками. В отличие от достаточно распространённых термокатодных электронных источников, тусуровская разработка обладает как принципиально новыми, так и более высокими эксплуатационными параметрами и качествами. Так пушки с плазменным эмиттером имеют низкую чувствительность к воздействию паров металлов из зоны сварки, ионизированных металлических и газовых паров, они проще в обслуживании, настройке и эксплуатации, и имеют больший ресурс из-за отсутствия накаленных электродов. Научный коллектив кафедры физики ТУСУР достаточно долгое время работает по тематике электронно-лучевых технологий, разработки коллектива применяются на предприятиях РОСАТОМа, предприятиях металлургической и электронной промышленности.

«Как правило, работа электронной пушки возможна только в условиях вакуума, чтобы пучок электронов не рассеивался при столкновении с молекулами газов, — поясняет руководитель проекта, доктор технических наук, профессор Николай Ремпе. — Однако сегодня во всём мире ведётся активная работа по выводу электронных пучков в атмосферу, поскольку это позволит кратно удешевить оборудование, а значит, весь технологический процесс. Наше исследование позволит совместить преимущества разработанной в ТУСУР пушки с плазменным эмиттером с достоинствами вневакуумных технологий».

Недостаток вакуумных технологий заключается не только в необходимости создания специальных дорогостоящих вакуумных камер. Необходимость создания вакуумной среды серьезно увеличивает время производства конечного продукта, усложняет технологический процесс и накладывает ограничения по размерам обрабатываемой или моделируемой (если речь идёт о аддитивных технологиях) детали. Чем больше размер обрабатываемой детали, тем большего размера вакуумная камера для этого требуется, и тем больше затрат как финансовых, так и временных потребуется на обеспечение вакуума.

На сегодня учёные выполнили два важные исследовательские задачи: более чем в два раза повысили ускоряющее напряжение, что позволило создать условия для вывода электронного пучка в атмосферу на рабочее расстояние, и создали систему вывода электронного пучка в атмосферу. Следующий этап — отработка технологий для разработанного в ТУСУР устройства. Эксперименты пройдут на площадях индустриального партнёра ТУСУР, НЦ «Сигма.Томск» (Томский Нанотехнологический центр РОСНАНО), в томской особой экономической зоне технико-внедренческого типа. Устройство, разработанное в ТУСУР, закреплено на «руке» промышленного робота-манипулятора и расположено в специальной рентгенозащитной камере. Здесь будут проводиться основные работы по отработке технологий, управление роботом будет осуществляться дистанционно, с пульта, или будет написана специальная программа, управляющая движением робота. Предварительная настройка оборудования осуществляется в вакуумной камере, в которой также будут проводиться работы по отработке технологий сварки и наплавки для сравнения результатов, полученных в вакууме и в атмосфере.

В настоящее время практически завершены работы по настройке и отладке оборудования. Приступить к экспериментам, направленным на отработку технологий, учёные планируют в ближайшее время.

«Расширение применения электронно-лучевых технологий вне вакуума открывает новые технологические и производственные возможности, в том числе позволит расширить рынок применения электронно-лучевых технологий в сфере резки и сварки, а также 3D-печати, — комментирует генеральный директор, ООО «СИГМА.Томск» (Томский нанотехнологический центр РОСНАНО) Олег Лысак. — В настоящее время наблюдается повышенный интерес к аддитивным технологиям при создании деталей из металлов и сплавов, в том числе и основанным на применении электронно-лучевого сплавления. Эти технологии актуальны для областей, где требуется производство изделий сложной геометрии с особыми требованиями к материалам. Это в первую очередь авиационная промышленность, космическая индустрия, энергетическое машиностроение и медицина».

Разработка вневакуумных электронно-лучевых технологий может привести к существенному росту рынка 3D-печати металлических изделий. Полученные результаты технологических экспериментов, проводимых в ТУСУР, дают возможность создания нового типа оборудования для 3D-печати, конкурентоспособного на рынке аддитивных технологий. Сегодня только две компании в мире занимаются созданием коммерческого оборудования для электронно-лучевого сплавления, и их решения основаны на вакуумных технологиях. Использование электронно-лучевых технологий без ограничений, накладываемых вакуумной камерой, позволит не только выращивать эндопротезы или строить лопатки для реактивных двигателей, как происходит сейчас, но и использовать электронно-лучевое сплавление для создания масштабных конструкций, таких как мосты или фермы подъёмных кранов.

Ещё одна сфера применения установки, созданной учёными ТУСУР, — технология наплавки функциональных покрытий, которая применяется для получения поверхности с необходимыми свойствами. Слой наплавленного материала придаёт поверхности особые качества, например, жаростойкость, износостойкость, коррозионную стойкость, что в несколько раз повышает срок эксплуатации деталей механизмов. Сегодня достаточно дорогая технология электронно-лучевой вакуумной наплавки используется только в ограниченной сфере (микроэлектроника, точная механика и т.п.), а успешное завершение работ по проекту позволит существенно расширить сферу применения технологии, сделав её более доступной.