Tools

Site ExplorerSite Explorer
Close site explorer

Високе мистецтво створення матеріалів

22 серпня 2017 р.

Метод електроіскрового спікання дозволяє пресувати надміцні монолітні деталі з різних порошків.

Потреба підприємств електротехнічної промисловості в синтетичних матеріалах із заданим набором характеристик величезна. Siemens займається розробкою технологій, які дозволять створювати композиційні матеріали з будь-яким набором специфічних властивостей.

Щодня кожен з нас користується приладами, виготовленими з пластмаси. Без пластика (або синтетичних полімерів, як їх прийнято називати в науковому світі) сьогодні не обійтися: чи то йде мова про зубну щітку, кулькову ручку або смартфон. Для створення таких «повсякденних» предметів потрібен пластик з базовими властивостями - легкістю, еластичністю або ж жорсткістю. Проте в електротехнічній промисловості використовуються пластмаси з куди більш складним набором характеристик - від прозорості і магнітних властивостей до жаростійкості, тепло- і електропровідності або ж, навпаки, електро- і теплоізолюючих «вмінь».

Підрозділ корпоративних технологій Siemens розробляє інноваційні «рецептури» пластмас, які наділяють полімери новими властивостями. Так, наприклад, використання полімерів з постійною і змінною електропровідністю дозволяє збільшити ККД обертових електричних машин, зокрема генераторів. Оптимізація роботи такого обладнання вкрай важлива з точки зору скорочення витрат енергії та матеріалів.

При тестуванні ізоляції стрижнів генераторів виникають розряди.

70 000 вольт - напруга при випробуваннях ізоляції стрижнів генераторів

Перемінна електропровідність

Фахівці Siemens створили нові матеріали, використання яких дозволить ефективніше управляти електричним полем. Такі матеріали скомпоновані з спеціально оксиду олова або карбіду кремнію, які вводяться в полімерну матрицю, що складається з смоли, різних домішок, затверджувачів, каталізаторів і розчинників. Склад визначає показники електропровідності і управління полями нового композитного матеріалу. Нова розробка дозволяє на третину зменшити довжину захисту EGS і збільшити термін служби захисту AGS в 4 рази. На практиці це означає зменшення розміру генератора зі збереженням колишньої потужності, що, в свою чергу, дозволить скоротити витрати міді і ізоляційних матеріалів.

Компаундування - процес з'єднання різних матеріалів - відкриває ще більше можливостей. Електричні властивості і придатність композиційного матеріалу для подальшого використання визначаються типом матеріалу, розміром, формою і кількістю часток, які вводяться в базову матрицю полімеру. Фахівці Siemens виробляють матеріали із заданими властивостями, призначені, наприклад, для створення ізоляції двигунів або трансформаторів. В результаті - можливість збільшити щільність потужності, іншими словами зменшити габарити зі збереженням потужності або збільшити потужність із збереженням поточних розмірів, а також скоротити витрати на виробництво і експлуатацію.

Перш, ніж використовувати нові матеріали у виробництві, співробітники Siemens інтенсивно тестують їх у високовольтній лабораторії в Ерлангені (Німеччина). Трансформатори піднімають напругу до 70 тис. Вольт, а струм подається на покриті ізолюючим матеріалом стрижні генератора. Тільки таким чином можна визначити, як довго стрижні можуть витримати екстремальні навантаження, і, відповідно, розрахувати термін експлуатації в нормальних умовах.

У високовольтній лабораторії для перевірки міцності ізоляції на стрижні генератора подають екстремально високу напруга.

Поєднання різних матеріалів

Фахівців підрозділу корпоративних технологій цікавить не тільки склад конкретних матеріалів і їх властивості. Вони досліджують також способи з'єднання різних матеріалів. Метод електроіскрового спікання (Spark Plasma Sintering, SPS) дозволив розробникам вирішити задачу отримання надміцних компонентів монолітної структури з різних порошків шляхом пресування. Вони проводять електрику через порошкову заготовку, яка в результаті нагрівається. При струмі 3 000 ампер і напрузі 4 вольта виникають високі температури. Здійснюється цілеспрямований нагрів бічних поверхонь часток порошку, якими вони стикаються один з одним. В результаті істотно зменшується час нагріву і різко скорочується тривалість процесу. Вихідні складові отриманого матеріалу пов'язані настільки міцно, ніби спочатку були гомогенної субстанцією.

Високі температури відіграють ключову роль і в процесі адитивного виробництва металевих компонентів, також відомому як 3D-друк. Ця технологія в найближчі роки може зробити революцію в машинобудуванні. Наприклад, за допомогою лазера порошок сплаву нікелю нагрівається до температури плавлення, і дрібні частинки сплавляються між собою. Так шар за шаром створюється тривимірна структура.

Сьогодні надскладні компоненти, виготовлення яких раніше було неможливо через технічні обмеження, складність, високу витратну частину і трудомісткість виробництва, створюються методом просторового 3D-CAD-моделювання. Siemens вперше провів випробування газової турбіни, лопатки якої були повністю виготовлені методом адитивного виробництва, на повній потужності. Метод також можна застосувати в процесі ремонту сопла пальника газових турбін. Результат: скорочення тривалості деяких процесів технічного обслуговування в десять разів і зниження вартості технічних робіт приблизно на 30%. Метод 3D-друку також дозволяє виробляти запчастини за індивідуальним замовленням. І робити це швидше, дешевше і децентралізовано.

3D-друк наочно демонструє, наскільки нерозривно пов'язані між собою матеріал і процес виробництва. Високоякісні матеріали зі складним набором властивостей є лише основою для компонентів. Геометрична форма готового виробу і такі його властивості як міцність виникають тільки в процесі 3D-друку. Складні методи моделювання, засновані на використанні фізичних моделей, дозволяють віртуально відтворювати виробничі процеси, оптимізувати їх і усувати помилки до початку друку. Це дає можливість перед запуском устаткування досконально опрацювати матеріал, дизайн і форму деталі, а також параметри виробничого процесу. Так з високоякісних порошкових матеріалів створюються деталі, що володіють мінімальною залишковю напругою і заданими характеристиками міцності - точно заданої форми і без яких-небудь дефектів / деформацій.