CC BY
2
УДК 621.77.04:621.767
ЭБ-ПЕЧАТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПОРОШКАМИ ДЕТАЛЕЙ РКТ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЯЧЕИСТЫХ СТРУКТУР
В. П. Елисов, Д. В. Черепанов, А. Д. Рыков Научный руководитель - Д. В. Сорокин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: vladgalaxynote@gmail.com
В работе рассмотрен метод 3D-печати металлическими порошками на примере элемента вантового крепления бака высокого давления. Проанализированы и выбраны лучшие варианты структуры заполнения объёма с целью минимизации массы детали.
Ключевые слова: ракетостроение, 3D-принтер, 3D-печать металлами, сплав, металлические порошки, жаропрочные металлы.
3D PRINTING WITH TITANIUM POWDER OF PARTS OF RST USING CELLULAR STRUCTURES
V. P. Elisov, D. V. Cherepanov, A. D. Rykov Scientific supervisor - D. V. Sorokin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: vladgalaxynote@gmail.com
The article discusses the method of 3D printing with titanium powders based on the cable-stayed element of a high-pressure tank. The best variants of the volume filling structure according to the resulting mass of the part are analyzed and selected.
Keywords: rocket science, 3D printer, metal 3D-printing, alloy, metal powders, heat-resistant metals.
Изделия ракетно-космической отрасли должны отвечать двум главным параметрам -прочность и лёгкость. Главным способом уменьшения массы изделия является уменьшение габаритных размеров деталей и оптимизация конструкции, например, создание вафельного фона для обечаек ракет заключается в удалении части материала в форме относительно небольших ячеек, что значительно уменьшает массу конструкции, а также добавляет жесткость.
Однако, в случае, когда в детали нельзя удалить часть материала снаружи (например, для относительной небольших деталей, типа кронштейн), возможно применить 3D-печать. Наиболее перспективное направление для ракетостроения - 3D-печать металлическими порошками селективным лазерным спеканием (Selective Laser Sintering), при котором лазерный луч послойно спекает порошковые материалы в прочное изделие [1].
Объектом исследования является деталь «Накладка опорная» (рис.1), одна из крепежных элементов вантовой системы крепления бака высокого давления к сетчатому корпусу ракеты [2, 3], изготовленная из титана, в стандартном исполнении имеет массу 0,387 кг.
Во время эксплуатации наибольшую нагрузку от натяжения вант (усилие натяжения одной ванты 1500 Н) испытывают два участка вдоль двух центральных отверстий, а также прямые участки, которые опираются на распорки (рис. 2). Следовательно, оставшиеся
Секция «Механика конструкций ракетно-космической техники»
области детали не испытывают повышенных нагрузок, в них напряжения минимальны, а значит для данной детали можно применить менее плотное заполнение внутреннего объёма.
Рис. 1. Накладка опорная
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние накладки
Для моделирования внутренней структуры детали применено 28 вариантов из набора готовых элементов структур программы Materialise Magics (рис. 3) [1]. Все они были использованы с равными габаритными размерами элемента - 10*10x10 мм. Пример результата заполнения детали представлен на рис. 4.
Рис. 3. Варианты элементов структуры
Рис. 4. Деталь Накладка с неполным заполнением объёма
Предварительное моделирование всех двадцати восьми вариантов структур ячеистого заполнения позволило выявить значительное снижение массы детали практически во всех случаях - в среднем на 39,4 %.
В табл. 1 представлены значения масс и относительных плотностей соответствующих структур в порядке их исследования.
Таблица 1
Масса и относительная плотность ячеистых структур_
№ Масса, кг Плотнос ть, % № Масса, кг Плотн ость, % № Масса, кг Плотно сть, % № Масса, кг Плот-ть, %
1 0,294 76,0 8 0,205 53,0 15 0,219 56,6 22 0,254 65,6
2 0,302 78,0 9 0,237 61,2 16 0,220 56,8 23 0,230 59,4
3 0,226 58,4 10 0,255 65,9 17 0,225 58,1 24 0,221 57,1
4 0,208 53,7 11 0,221 57,1 18 0,218 56,3 25 0,234 60,5
5 0,211 54,5 12 0,245 63,3 19 0,223 57,6 26 0,255 65,9
6 0,212 54,8 13 0,204 52,7 20 0,217 56,1 27 0,245 63,3
7 0,236 61,0 14 0,265 68,5 21 0,245 63,3 28 0,236 61,0
Среди рассмотренных вариантов есть пять структур, позволяющих снизить массу на 45 -47%. Наименьшую массу (0,204 кг) обеспечивает многогранная стержневая структура № 13. Второй по массе (0,205 кг) оказалась структура элементов в виде буквы X (№ 8). Третья, четвертая и пятая детали имеют структуру в виде скрещивающихся стержней и имеют массу 0,208, 0,211, 0,212 кг соответственно (структуры № 4, 5, 6). Все пять видов структур показаны на рис. 5.
X^r^r^r
Рис. 5. Структуры, обеспечивающие наименьшую массу детали
При условии, что в конструкции крепления бака применяются 24 ванты, то применив 3D-печать, можно снизить массу конструкции, при использовании данных структур заполнения, до 4,4 кг.
Для изделий ракетно-космической техники экономия массы даже на таких элементах важна, поскольку это позволяет увеличить массу полезной нагрузки. К тому же, 3D-печать металлическими порошками позволит сократить, или вовсе исключить, использование металлорежущих станков, специальной оснастки и режущего инструмента при производстве подобного рода деталей.
Библиографические ссылки
1. Сообщество IT специалистов habr.com [Электронный ресурс]: URL: https://habr.com/ru/company/top3dshop/blog/589939/ (дата обращения 8.04.2022).
2. Мироненко Е.Д. Обеспечение работоспособности вантовой системы крепления композитного бака высокого давления : дис. Красноярск : СибГУ, 2019, 18 с.
3. Галиновский, А. Л. Аддитивные технологии в производстве изделий аэрокосмической техники : учебное пособие для вузов / А. Л. Галиновский, Е. С. Голубев, Н. В. Коберник, А. С. Филимонов ; под общ. ред. А. Л. Галиновского. — Москва : Юрайт, 2020. — 115 с. — Текст : электронный // Юрайт : электронная библиотечная система : [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/446755 (дата обращения: 8.04.2022).
© Елисов В. П., Черепанов Д. В., Рыков А. Д., 2022
