Ученые НИТУ «МИСиС» впервые в мире предложили технологию, позволяющую создавать тонкостенные 3D-детали сложной формы методом селективного лазерного плавления из вольфрама — самого тугоплавкого металла, известного своей хрупкостью. Разработанный метод позволяет печатать конструкции со стенкой толщиной в 100 микрометров (мкм). Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет до 120 мкм. Предложенная технология может быть использована для изготовления деталей для экспериментов на российских ускорителях частиц.
Вольфрам — тугоплавкий металл, критически необходимый для успешного функционирования многих современных отраслей, от металлообработки и аэрокосмоса до двигателестроения и медицины. Температура плавления вольфрама составляет 3 422 °C, что позволяет считать его самым тугоплавким из известных металлов. Он эффективно поглощает радиационное излучение и мало подвержен коррозии, но демонстрирует чрезвычайную хрупкость при комнатной температуре, из-за чего тяжело поддается механической обработке.
Одним из наиболее перспективных способов создания деталей сложной формы из вольфрама является 3D-печать. Ученым НИТУ «МИСиС» впервые удалось получить из вольфрамового порошка деталь сложной формы с толщиной стенки 100 мкм (0,1 мм). Такая печать была реализована методом селективного лазерного плавления — технологии, которую можно упрощенно описать как плавление порошка лазером в 3D-конструкцию заданной формы.
«Несмотря на тугоплавкость вольфрама, нам удалось подобрать технологические параметры 3D-печати для производства тонкостенных деталей из него по технологии селективного лазерного плавления. Изучение условий формирования ванны расплава для вольфрама при воздействии лазерного излучения позволило увеличить разрешающую способность печати вольфрама до физически возможного предела», — рассказал представитель группы разработчиков, научный сотрудник лаборатории «Катализ и переработка углеводородов» НИТУ «МИСиС», к.ф.-м.н. Иван Пелевин.
В дальнейшем технология может быть использована для создания нового поколения детектора частиц высоких энергий — калориметра — для экспериментов на Большом адронном коллайдере в CERN и на российских ускорителях частиц. Абсорбер излучения, изготовленный из тонкостенного вольфрама, способен эффективно поглощать частицы высоких энергий и формировать так называемый электромагнитный ливень, который образуется при взаимодействии высокоэнергетических частиц с веществом абсорбера. Калориметр с таким абсорбером позволит увеличить плотность потока частиц в экспериментах и, в перспективе, получить новые знания о свойствах адронов с тяжёлыми кварками.
Кроме того, изготовленные из вольфрама 3D-экраны могут быть использованы в качестве анти-рассеивающей матрицы для протонной лучевой терапии — инновационного метода лечения онкологических заболеваний с помощью выводимого пучка заряженных частиц на медицинских ускорителях. За счет того, что плотность опухоли отличается от плотности здоровой ткани, становится возможным прицельное неинвазивное воздействие на опухолевую ткань высокоэнергетическими заряженными частицами. Однако, существует проблема с рассеиванием этих частиц. При облучении их сложно сфокусировать на нужном участке. Напечатанный из вольфрама учеными НИТУ «МИСиС» экран может позволить сфокусировать поток частиц и более точно направить на опухоль, таким образом повысив эффективность терапии и позволяя избежать негативного воздействия на соседние здоровые ткани.
Авторы разработки отмечают, что в дальнейшем предложенный ими метод тонкостенной печати может быть применен и к другим тугоплавким материалам.
