Tools

Site ExplorerSite Explorer
Close site explorer

Высокое искусство создания материалов

22 августа 2017 г.

Метод электроискрового спекания позволяет прессовать сверхпрочные монолитные детали из различных порошков.

Потребность предприятий электротехнической промышленности в синтетических материалах с заданным набором характеристик огромна. Siemens занимается разработкой технологий, которые позволят создавать композиционные материалы с любым набором специфических свойств.

Ежедневно каждый из нас пользуется устройствами, изготовленными из пластмассы. Без пластика (или синтетических полимеров, как его принято называть в научном мире) сегодня не обойтись: идет ли речь о зубной щетке, шариковой ручке или смартфоне. Для создания таких «повседневных» предметов нужен пластик с базовыми свойствами – легкостью, эластичностью или же жесткостью. Но в электротехнической промышленности используются пластмассы с куда более сложным набором характеристик – от прозрачности и магнитных свойств до жаростойкости, тепло- и электропроводности или же, напротив, электро- и теплоизолирующих «умений».

Подразделение корпоративных технологий Siemens разрабатывает инновационные «рецептуры» пластмасс, наделяющие полимеры новыми свойствами. Так, например, использование полимеров с постоянной и переменной электропроводностью позволяет увеличить КПД вращающихся электрических машин, в частности генераторов. Оптимизация работы такого оборудования крайне важна с точки зрения сокращения затрат энергии и материалов.

При тестировании изоляции стержней генераторов возникают разряды.

70 000 вольт – напряжение при испытаниях изоляции стержней генераторов

Переменная электропроводность

Специалисты Siemens создали так называемые системы управления полем, такие как внутренняя и внешняя защита от коронного разряда (EGS и AGS соответственно). Использование новейших материалов позволит эффективнее управлять электрическим полем. Такие материалы скомпонованы из специально легированного оксида олова или карбида кремния и вводятся в полимерную матрицу, состоящую из смолы, различных примесей, отвердителей, катализаторов и растворителей. Состав определяет показатели электропроводности и управления полями нового композитного материала. Новая разработка позволяет на треть уменьшить длину защиты EGS и увеличить срок службы защиты AGS в 4 раза. На практике это означает уменьшение размера генератора с сохранением прежней мощности, что, в свою очередь, позволит сократить расход меди и изоляционных материалов.

Компаундирование – процесс соединения различных материалов – открывает еще больше возможностей. Электрические свойства и пригодность композиционного материала для последующего использования определяются типом материала, размером, формой и количеством частиц, которые вводятся в базовую матрицу полимера. Специалисты Siemens производят материалы с заданными свойствами, предназначенные, например, для создания изоляции двигателей или трансформаторов. В результате – возможность увеличить плотность мощности, иными словами уменьшить габариты с сохранением мощности или увеличить мощность с сохранением текущих размеров, а также сократить затраты на производство и эксплуатацию.

Прежде, чем использовать новые материалы в производстве, сотрудники Siemens интенсивно тестируют их в высоковольтной лаборатории в Эрлангене (Германия). Трансформаторы поднимают напряжение до 70 тыс. вольт, а ток подается на покрытые изолирующим материалом стержни генератора. Только таким образом можно определить, как долго стержни могут выдержать экстремальные нагрузки, и, соответственно, рассчитать срок эксплуатации в нормальных условиях.

В высоковольтной лаборатории для проверки прочности изоляции на стержни генератора подают экстремально высокое напряжение.

Соединение различных материалов

Специалистов подразделения корпоративных технологий интересует не только состав конкретных материалов и их свойства. Они исследуют также способы соединения различных материалов. Метод электроискрового спекания (Spark Plasma Sintering, SPS) позволил разработчикам решить задачу получения сверхпрочных компонентов монолитной структуры из различных порошков путем прессования. Они проводят электричество через порошковую заготовку, которая в результате нагревается. При токе 3 000 ампер и напряжении 4 вольта возникают высокие температуры. Осуществляется целенаправленный нагрев боковых поверхностей частиц порошка, которыми они соприкасаются друг с другом. В результате существенно уменьшается время нагрева и резко сокращается длительность процесса. Исходные составляющие полученного материала связаны настолько прочно, будто изначально были гомогенной субстанцией.

Высокие температуры играют ключевую роль и в процессе аддитивного производства металлических компонентов, также известном как 3D-печать. Эта технология в ближайшие годы может совершить революцию в машиностроении. Например, с помощью лазера порошок сплава никеля нагревается до температуры плавления, и мелкие частицы сплавляются между собой. Так слой за слоем создается трехмерная структура.

Сегодня сверхсложные компоненты, изготовление которых ранее было невозможно ввиду технических ограничений, сложности либо затратности и трудоемкости производства, создаются методом пространственного 3D-CAD-моделирования. Благодаря сложной конфигурации канальцев охлаждения турбинной лопатки, процесс охлаждения всей турбины стал более эффективным. Siemens впервые провел испытания газовой турбины, лопатки которой были полностью изготовлены методом аддитивного производства, на полной мощности. Метод также можно применить в процессе ремонта сопла горелки газовых турбин. Результат: сокращение длительности некоторых процессов технического обслуживания в десять раз и снижение стоимости технических работ примерно на 30%. Метод 3D-печати также позволяет производить запчасти по индивидуальному заказу. И делать это быстрее, дешевле и децентрализовано.

3D-печать наглядно демонстрирует, насколько неразрывно связаны между собой материал и процесс производства. Высококачественные материалы со сложным набором свойств являются лишь основой для компонентов. Геометрическая форма готового изделия и такие его свойства как прочность возникают только в процессе 3D-печати. Сложные методы моделирования, основанные на использовании физических моделей, позволяют виртуально воспроизводить производственные процессы, оптимизировать их и устранять ошибки до начала печати. Это дает возможность перед запуском оборудования досконально проработать материал, дизайн и форму детали, а также параметры производственного процесса. Так из высококачественных порошковых материалов создаются обладающие минимальным остаточным напряжением и заданными прочностными характеристиками детали – точно заданной формы и без каких-либо дефектов/деформаций.