CC BY
77
УДК 621.762
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А. М. Терин, А. К. Тутушкин Научный руководитель - Л. П. Сысоева
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: art.terin@yandex.ru
Рассмотрена возможность применения технологии SLM-печати для производства деталей летательных аппаратов.
Ключевые слова: летательный аппарат, аддитивные технологии, SLM-печать, 3D-принтеры.
ADDITIVE TECHNOLOGY IN THE MANUFACTURE OF AIRCRAFT DETAILS
А. M. Terin, A. K. Tutushkin Scientific Supervisor - L. P. Sysoeva
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: art.terin@yandex.ru
The possibility of using the SLM-printing technology for the manufacture of aircraft details is considered.
Keywords: aircraft, additive technology, SLM-printing, 3D-printers.
В конструкциях летательных аппаратов (ЛА) широко используют сложнопрофильные геометрические элементы, формирующие внутренние поверхности деталей, например, крыльчатки, направляющие и сопловые аппараты ТНА и др. Большую часть заготовок из химически стойких жароупорных и жаропрочных сплавов изготавливают литьем по выплавляемым моделям и электроэрозионной обработкой. Качество поверхности таких заготовок характеризуется повышенной шероховатостью Ra = 20...40 мкм, большой глубиной термически измененного слоя, наличием трещин, пор и газов в поверхностном слое и высокими остаточными напряжениями [1].
Требования же к размерной точности, точности формы и взаимного расположения поверхностей и качеству поверхностного слоя (Ra 1,25 мкм - турбина ТНА ... Ra 2,5 мкм - крыльчатка двигателя внутреннего сгорания) таких деталей весьма высоки вследствие повышенных требований к надежности летательных аппаратов, детали которых работают в условиях высоких температур и агрессивных сред [1].
Конструкция же деталей затрудняет подвод режущего инструмента к внутренним обрабатываемым поверхностям, вызывая необходимость использования нестандартных методов обработки, в частности, технологий 3В-печати.
Технологии 3В-печати позволяют создавать ранее недоступные сложные формы, например, сотовые структуры, криволинейные пространственные поверхности, внутренние каналы имеющие изгибы и прочие поверхности, изготовление которых традиционными способами невозможно или весьма трудоёмко [2].
Из всего многообразия видов 3В-печати, распространенных в настоящее время (SLM, SLS, FDM, LOM) для изготовления изделий ЛА, работающих в условиях агрессивных сред под высокими динамическими нагрузками, на наш взгляд, может быть интересна технология SLM-печати, позволяющая получить наиболее точные и прочные изделия с плотной внутренней структурой.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2019. Том 1
SLM или Selective laser melting — инновационная технология производства сложных изделий посредством лазерного плавления металлического порошка по математическим CAD-моделям pD-печать металлом) [3; 4]. Несмотря на некоторые недостатки (сфероидизация некоторых цветных металлов, наличие внутренних напряжений, ограниченность в использовании легированных сталей), данная технология предоставляет ряд несомненных преимуществ перед традиционными методами получения заготовок: низкая себестоимость изделий; сокращение производственных процессов; практически безотходное производство (оставшийся после печати порошок пригоден для последующего использования); отсутствие ограничений по сложности конструкции изделий; возможность печати из большого спектра порошковых металлов, таких как: нержавеющая сталь, инструментальная сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан, алюминий, золото и др.; разрешение печати от 20 до 100 микрон [5].
Изделия, полученные селективным лазерным плавлением, в некоторых случаях прочнее литых на 2-12 %. Это можно объяснить малым размером зерен и микроструктурных составляющих, которые образуются в результате быстрого охлаждения расплава. Быстрое переохлаждение расплава значительно увеличивает число зародышей твердой фазы и уменьшает их критический размер. При этом быстро растущие на зародышах кристаллы, соприкасаясь друг с другом, начинают препятствовать своему дальнейшему росту, тем самым формируя мелкозернистую структуру. Нормальная пористость для изделий, полученных SLM-методом, составляет 0-3 % [6].
Порошковое плавление и последующая сварка металлических частиц происходит послойно (толщина слоя 20-100 мкм) в соответствии с 2D-моделью слоя в герметичной камере в присутствии инертного газа [7]. Физико-механические свойства изделий, полученных SLM-методом, практически аналогичны свойствам традиционных заготовок (см. таблицу).
Физико-механические свойства материалов, полученных SLM-методом
Технология Материал Плотность, г/см3 Пористость, % Твердость, HRC
В центре С края
SLM H13 (аналог 4Х5МФ1С) 7,6059 <0,2 47-55 57
Ti 4,3928 1,6-1,7 24 27
Штамповка ВТ5 4,41 - 25 29
ОТ4 4,55 - 17,9-30,3 17,9-30,3
4Х5МФ1С 7,716 - 45-55 60
Себестоимость изготовления изделия 8ЬМ-методом по сравнению с традиционной механической обработкой заготовки из проката ниже на 13,37 %, трудоемкость меньше в 20 раз! При этом в общей трудоемкости 88,9% времени уходит на заготовительную операцию - непосредственно 8ЬМ-печать, и только 11,1 % остается на механическую обработку [2]. Из цикла производства исключается крупногабаритное дорогостоящее оборудование для механической обработки, в разы сокращается площадь производственного участка.
8ЬМ успешно применяется в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать высокопрочные элементы конструкций, недосягаемые по геометрической сложности для традиционных механических методов изготовления и обработки. Качество готовых изделий настолько высоко, что механическая обработка готовых моделей почти не требуется [7].
Таким образом, аддитивные технологии, и в частности 8ЬМ-печать, которые в настоящее время активно развиваются и непрерывно совершенствуются, имеют все возможности достойно конкурировать с традиционными методами изготовления деталей ЛА, к которым предъявляются высокие требования по размерной точности, качеству поверхностного слоя, прочности, надежности и т. д.
Библиографические ссылки
1. Сысоев С. К., Сысоев А. С. Экструзионное хонингование деталей летательных аппаратов: теория, исследования, практика : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 220 с.
2. Пиженков Е. Н., Подгорбунских В. М., Рощин В. А. Использование SLM технологий 3D печати в изготовлении деталей червячно-модульных фрез // Современные условия взаимодействия науки и техники: сборник статей Международной научно-практической конференции (11 ноября 2018 г., г. Пермь) : в 3 ч. Ч. 2. Уфа : ОМЕГА САЙНС, 2018. С. 91-96.
3. Globatek 3D [Электронный ресурс]. URL: http://3d.globatek.ru/3d_printing_technologies/slm-tech/ (дата обращения: 30.03.2019).
4. iQB technologies [Электронный ресурс]. URL: http://blog.iqb-tech.ru/slm-prawest-case (дата обращения: 30.03.2019).
5. Слободенюк В. С., Литунов С. Н. Обзор основных технологий 3D-печати в промышленности / ОмГТУ. Омск.
6. Высоцкий А. А., Жуйков Д. А. SLM-печать в двигателестроении // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : в 2 т. Т. 1 / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 188-189.
7. Торгашин А. С., Леонград А. Ю., Бегишев А. М. Применение технологий 3D-печати в ра-кетостроительной промышленности // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : в 2 т. Т. 1 / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 105-106.
© Терин А. М., Тутушкин А. К., Сысоева Л. П., 2019
