CC BY
68
-Ф-
УДК 621.763; 621.7.06
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ: ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ
А.И. Логачева, канд. техн. наук (ОАО «Композит», г. Королев, e-mail: info@kompozit-mv.ru)
Проведен анализ аддитивных технологий применительно к металлическим материалам, представлены образцы изделий, получаемых послойным синтезом иностранными производителями. Рассмотрены как перспективы применения послойного синтеза для изделий РКТ, так и проблемы, связанные с внедрением этих технологий в России.
Ключевые слова: аддитивные технологии, порошки-гранулы, свойства, оборудование, применение.
Additive Technologies for Production of Space-Rocket Hardware Components: Prospects and Problems of Application. A.I. Logachiova.
Additive technologies are analysed with reference to metallic materials; prototypes manufactured by layer-by-layer synthesis abroad are presented. Prospects of application of the layer-by-layer synthesis technique for production of space-rocket hardware components and problems concerning introduction of the additive technologies in Russia are discussed.
Key words: additive technologies, spherical powders, properties, equipment, application.
В процессе развития ракетно-космической техники особую значимость приобретают темпы разработки, изготовления и доводки опытных и серийных изделий. В этом отношении ускоряющим шагом является освоение аддитивных технологий.
Аддитивное производство (Additive Manufacturing, AM) - новаторская технологическая концепция, активно разрабатываемая во всех постиндустриальных странах с начала нынешнего века. Ее принцип состоит в том, что готовые функциональные изделия и поверхности создают, послойно добавляя материал, например, наплавляя или напыляя порошок, добавляя жидкий полимер или накладывая композит. Концепция призвана дополнить традиционное субтрактивное производство, основанное на удалении первичного материала (например, такие процессы, как фрезеровка, точение). Наиболее известные из AM-технологий: стереолитография (SLA);
FDM-процесс (послойное наложение полимера); лазерное спекание/плавление (SLS/SLM).
Селективное лазерное спекание - SLS-тех-нология (Selective Laser Sintering, Selective Laser Melting), является интенсивно развивающимся методом объемного формообразования металлических и неметаллических материалов для изготовления изделий особо сложной формы, который позволяет повысить КИМ и скорость производства изделий, а также избежать литейных дефектов. Особенности этого метода открывают широкие возможности применения новых материалов (трудно обрабатываемые сплавы, интерме-таллидные сплавы, титановые сплавы (высокая химическая активность при высоких температурах)).
В начале процесса создается цифровая 3D- модель детали - файл CAD (САПР) или данные сканирования. По программе порошковый материал наносится на подложку, а лазер из-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лазер
Сканирующая
Линза головка Зеркало
•SKI
Ролик укладки слоя порошка
Устройство
подачи и нанесения порошка
Изготавливаемый объект
Порошок
Бункер Рабочая зона для сбора с подложкой неисполЬз°"
для нанесения ванного
порошка порошка
Рис. 1. Общая схема современного SLM-процесса
-Ф-
Рис. 2. Примеры готовых изделий, изготавливаемых SLMв настоящее время
бирательно и послойно спекает порошок путем сканирования поперечного сечения, сгенерированного из 3й-модели. Объекты с геометрией высокой степени сложности создаются автоматически непосредственно из 3D-данных САПР в течение нескольких часов без дополнительной механической обработки на станках. SLM-технология обеспечивает изготовление деталей с высокой точностью, хорошим качеством поверхности и превосходными механическими свойствами в полном соответствии с САПР-моделью (рис. 1, 2).
На данный момент в мире освоено и внедрено в промышленное производство ряд изделий, получаемых аддитивными технологиями на установках фирм EOS GmbH (Германия), Arcam AB (Швеция), Connect (США), SLM Solutions GmbH (Германия), Lens (США) и др. (табл. 1).
Отдельно следует отметить шведского производителя оборудования (фирма Arcam AB) для аддитивного производства 3-мерных объектов Arcam. Установка Arcam A2 (рис. 3) является наилучшим решением в классе аддитивных технологий для производства в аэрокосмической и оборонной промышленности. Технология основана на плавлении порошка электронным лучом в вакууме и специально предназначена для изготовления больших, сложных изделий из различных металлических порошковых материалов, особенно чувствительных к окислению.
.
ARCAM A2 TECHNICAL DATA Build tank volume
Maximum build size
Model-to-Part accuracy, long rangel Model-to-Part accuracy, short rangel Surface finish (vertical & horizontal) Beam power
Beam spot size (FWHM)
EB scan speed
Build rate
No. of Beam spots
Vacuum base pressure
Power supply
Size and weight
Рис. 3. Установка Arcam A2
250 x 250 x 400 mm and 350 x 350 x 250 mm (Wx D x H) 200 x 200 x 350 mm and 0 300 x 200 mm (W x D x H) +/-0,20 mm (3<) +/-0,13 mm (3<) Ra25/Ra35 50-3500W (continuously variable) 0,2 mm-1,0 mm (continuously variable) up to 8000 m/s 55/80 cm3/h (Ti6Al4V) 1-100
< 1 x 10-4 mBar 3 x 400 V, 32 A, 7 kW 1850 x 900 x 2200 mm (W x D x H), 1420 kg
-Ф-
-Ф-
-Ф-
Таблица 1 Основные производители оборудования для аддитивных технологий
Производитель модели Преимущества Ограничения
3D Systems (США) Sinterstation Pro DM125/DM250 Первый в мире коммерческий производитель систем скоростного изготовления прототипов. Модульная система: наращивание, восстановление, переработка порошка, рабочая среда - инертный газ Выстраиваемые габаритные размеры 25 х 25 х 20 см. Специальные порошки; использование коммерчески доступных порошков не допускается
EOS GmbH (Германия) EOSINT M 280 Крупнейший в Европе поставщик LDM- систем. Характеристики станка практически такие же, как и у 3D DM250 Диаметр фокального пятна лазерного луча > 100 мкм. Специальные порошки; использование коммерчески доступных по -рошков не допускается
MTT Technologies Group (Германия) SLM125, SLM250 Элементы контроля технологического процесса: оператор может видеть на дисплее некоторые параметры в режиме реального времени Низкая скорость процесса(это касается всех производителей)
CONCEPT Laser (Германия) LaserCusing® Многофункциональный станок М3 с отдельными взаимозаменяемыми модулями для SLM, лазерной эрозии или лазерной маркировки Средняя общая производительность в SLM- режиме уступает вышеприведенным станкам
Phenix Systems (Франция) PM 100 PXS; PXM; PXL Технология SLM. ( + ) рабочая зона нагревается до 900 °С, возможны микроструктурирование поверхности, обработка тугоплавких материалов; перерабатываемое сырьё -коммерчески доступные порошки Низкая мощность лазера (50 Вт, 100 Вт), медленный процесс нанесения порошкового слоя
ReaLizer GmbH (Германия) SLM50, SLM100, SLM250 SLM50 - первый в мире настольный вариант SLM-технологии Низкая производительность, а вследствие этого и низкая экономическая эффективность
Arcam A2 - это оборудование индустриального типа, которое поставляется вместе с двумя платформами для изготовления высоких и узких объектов или низких и широких объектов. Arcam A2 поставляется в комплекте с опцией «многолучевой обработки», которая реализуется программным обеспечением EBM Control 3.2.
Технологии послойного синтеза (аддитивные) востребованы в различных отраслях промышленности. Большинство покупателей -это представители автомобильной (« 19 %), аэрокосмической промышленности (« 8 %), машиностроения (« 10 %), промышленности по производству потребительских товаров -электроники (« 24 %), медицины - стоматологии (« 14 %). SLM-станки применяют также в других сегментах, подчас полярных, таких
как военная промышленность (« 7 %) и ювелирное производство (~ 1 %).
Улучшенное аддитивное производство (Advanced Additive Manufacturing, АМ-техно-логии) установит новые стандарты изделий в плане их промышленного и функционального дизайна (пространственная трехмерная структура, состоящая из металлических частей и многоматериальных композиций с заданными механическими свойствами), структуры (специально разработанные структуры, замещающие монолитный материал), свойств поверхности (структурированные поверхности и окончательная обработка).
Таким образом, аддитивные технологии позволяют изготавливать изделия различного промышленного применения (табл. 2).
По оценкам компании Wohlers Associates (www.wohlersassociatwes.com), на сегодня
-Ф-
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 2
Различные виды изделий, полученные послойным синтезом
Компонент/готовое изделие
Отрасли промышленности
Преимущества
Новые каталитические фильтры со сложной геометрией
Химическая, фармацевтическая
Сокращение времени и затрат на производство (50-100 %); уменьшение общего объема изделия; технологические каналы со сложной геометрией; улучшенная функциональность и эффективность (лучший контроль химической реакции)
Реакторы и миксеры с функциональной геометрией и каналами для потоков жидкости
Химическая, фармацевтическая
Сокращение времени на производство (50-100 %); варьируемая геометрия в зависимости от цели использования; улучшенная функциональность и надежность; многоматериальная технология позволяет оптимизировать дизайн и функционирование каналов охлаждения
Литые формы со встроенными конформными каналами охлаждения
Потребительские товары, формовка пластмасс
Материалы, используемые в технологическом процессе: инструментальный твердый износостойкий сплав, сплавы меди, сталь; исключение стадии последующей обработки заготовок
Сложные
вкладыши
для инструмента
Механика, машиностроение
Используемые материалы: инструментальные сплавы на основе стали-никеля-меди; сокращение времени на производство (в 5-10 раз); существенное снижение затрат (до нескольких десятков раз); высокое качество (плотность приближается к 100 %)
Узлы газовых турбин
Авиация, вертолеты
Быстрое изготовление ограниченных серий (10-50 шт.) сложных функциональных компонентов; прочные однородные поверхности с заданными термофизическими свойствами
Компоненты газовых турбин со специально разработанным профилем лопаток
Вертолеты
Дифференцированные свойства (тепловой барьер ^ проводник тепла ^ высокопрочное тело); эрозионно- стойкая поверхность с теплоизолятором (наност-руктурированный порошок оксида циркония используется вместе с основным порошком и образует тепловой барьер на поверхности); высокая эффективность охлаждения благодаря конформным каналам; улучшенная газовая динамика; механические свойства сходны со свойствами литого материала
Окончание табл. 2
Компонент/готовое изделие Отрасли промышленности Преимущества
Компоненты электродвигателей Fl Электромашиностроение Замена четырех производственных операций: токарная обработка (внешний профиль), фрезерование (радиальные каналы), токарная обработка (центральное отверстие для ведущего вала), фрезерование (малые боковые выступы); рост производительности в 4-5 раз (в настоящее время - одно изделие за 2 ч, с помощью станка АЬАМ - 10 изделий за 5 ч); существенная экономия первичного материала (до 60 %)
Каркасы для восстановления костной ткани в Биомедицина Быстрое изготовление форм под заказ (экономия времени 50-100 %); специальная облегченная структура и высокая механическая прочность; нанострукту-рированный порошок гидроксиапатита перемешивается с исходным порошком и таким образом интегрируется в каркас; исключение стадии нанесения покрытия; варьируемая микропористость: плотное ядро и постепенное увеличение пористости по направлению к поверхности (градиентная структура)
Имплантанты с контролируемой пористой структурой Xfk Биомедицина Пористые структуры из различных материалов (от металлов до биополимеров и биокерамики) в форме решётки с типичным размером пор 100- 500 мкм обеспечивают лучший остеосинтез и лучшее вживление каркаса-имплантанта в организм
Ф-
более 700 различных АМ-систем на основе лазерных технологий эксплуатируются в Европе (порядка 20 % общемирового парка АМ-систем). Промышленные секторы, наиболее интенсивно использующие АМ-технологии и производящие готовые продукты на данный момент, представлены на рис. 4.
Рис. 4. Промышленные секторы, использующие АМ- технологии (а, источник: Отчет компании Wohlers за 2010 г.) и оценка экономического эффекта внедрения аддитивного производства в европейских масштабах (б): 1 - станки и сопутствующее оборудование; 2 - инновационные готовые изделия; 3 - новые порошки для АМ-технологий; 4 - программное обеспечение управления технологическими процессами
-t
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Каждый серийный производитель оборудования по послойному синтезу поставляет также 3-5 сертифицированных порошков, специально разработанных для конкретного станка и под конкретное программное обеспечение. Использование других порошков не рекомендуется или даже запрещается.
В России аддитивные технологии только начинают развиваться, при этом оборудование ведущих производителей практически отсутствует, и все работы проводятся на импортном сырье. Отставание нашей страны в этом направлении составляет 20-30 лет.
Метод послойного синтеза требует разработки специальных исходных материалов-порошков, которые должны обладать комплексом свойств (фракционный состав, сыпучесть (сферичность) и др.). Для каждого вида порошка требуется разработка соответствующего режима спекания-формообразования, обеспечивающего комплекс свойств выращиваемого материала, а в конечном итоге изделия.
Проблема применения аддитивных технологий в России связана с тем, что производители оборудования предлагают только базовые технологии со строго фиксированными температурно-скоростными параметрами и четко определенными видами используемых исходных импортных материалов, т. е. применение лазерного и электронно-лучевого оборудования требует разработки новых технологий для решения конкретной задачи.
Разработкой аддитивных технологий должны заниматься специализированные материа-ловедческие организации, имеющие богатый опыт в области порошковой (гранульной) металлургии изготовления теплонагруженных деталей ракетных двигателей; что соответствует мировым тенденциям (зарубежные лидирующие фирмы в области послойного синтеза постоянно занимаются исследованиями, в первую очередь, по получению материала - беспористого и с требуемым уровнем свойств, а затем лишь конфигурацией детали. Причем каждый новый материал требует индивидуального подхода в разработке технологий его изготовления).
На сегодняшний день разработаны технологии получения изделий из зарубежных сплавов
2 мм
Рис. 5. Сферические порошки-гранулы производства ОАО «Композит) из никелевого сплава ЭП741НП
на основе Ы1, Со, Ре, И, А1. Составы сплавов ограничены и отличаются от применяемых в изделиях РКТ. Например, сплав 1псопе1 718 имеет более низкие эксплуатационные характеристики по сравнению с российским сплавом ЭП741НП и также по другим материалам.
С вышеизложенным необходима адаптация существующих порошков-гранул, например, производства ОАО «Композит» (рис. 5) под технологии послойного синтеза, так как они по своим специальным свойствам идеально подходят для этой технологии как исходное сырье, поскольку имеют сферическую форму, высокую сыпучесть и по химическому составу соответствуют составам российских жаропрочных сплавов на основе никеля и титана, применяемых для двигателей РКТ.
В связи с тем, что российские жаропрочные сплавы имеют более высокие прочностные характеристики, необходимо провести работы по выбору технологических параметров для получения беспористого порошкового материала с заданным уровнем свойств.
Решение этих задач позволит не только разработать концепцию создания отечественных порошковых (гранульных) материалов для послойного синтеза, но и отработать технологические процессы получения новых образцов деталей с учетом особенностей этой технологии, тем самым обеспечить ликвидацию отставания России от зарубежных мировых фирм и повысить конкурентоспособность нашей оборонной промышленности.
