Методика применения аддитивных технологий на этапах изготовления опытных образцов агрегатов и узлов авиационной техники Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 67.02

А.А. Автушенко, Р.Р. Анамова, А.О. Иванов, А.В. Рипецкий, А.В. Осипов

МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ЭТАПАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ АГРЕГАТОВ И УЗЛОВ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Рассмотрены особенности применения аддитивных технологий в авиационной промышленности. Предложена методика применения аддитивных технологий для изготовления опытных образцов агрегатов и узлов авиационной техники, апробированная при изготовлении макета агрегата современного авиационного двигателя.

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, макет, авиационная техника, SLS-технология.

Аддитивные технологии (технологии ЗБ-печати) относятся к перспективным производственным технологиям, позволяющим изготовлять с высокой точностью детали со сложной геометрической формой и пространственной конфигурацией. Аддитивные технологии отличаются друг от друга выбором материалов и способа их нанесения, однако во всех случаях создание модели основывается на послойном наращивании [1].

Выделяют следующие положительные особенности аддитивных технологий с точки зрения авиационной промышленности:

1) использование одного и того же оборудования для опытного и серийного производства;

2) сокращение энергопотребления производства [2];

3) гибкое перепрофилирование одного и того же оборудования под производство различных партий изделий;

4) высокая автоматизация технологического процесса;

5) минимальные сроки технологической подготовки производства;

6) стабильность получаемых характеристик технологического процесса и произведенных деталей;

7) возможность варьирования используемого технологического сырья без смены оборудования;

8) прогнозируемые с высокой достоверностью сроки всех этапов производства и, следовательно, стоимости этапов производства;

9) сокращение потребного кадрового состава;

10) возможность управления свойствами материала в зависимости от целевого предназначения изготовляемой продукции.

Авиационная и космическая отрасли являются важным рынком для ЗБ-печати. Корпорация «Boeing» активно использует аддитивное производство для изготовления систем, направляющих воздушный поток в военных и гражданских самолетах. Компания «GE Aviation» применяет ЗБ-печать при производстве новых двигателей LEAP для изготовления распылителей топлива [3].

Однако применение аддитивных технологий для макетирования, изготовления опытных образцов агрегатов и узлов авиационной техники в настоящее время затруднено, так как при этом к качеству поверхности деталей, изготовляемых посредством аддитивных технологий, предъявляются жесткие требования, которые не всегда возможно удовлетворить.

В связи с изложенным актуальной является задача разработки методики применения аддитивных технологий на этапах изготовления опытных образцов агрегатов и узлов авиационной техники.

Коллективом кафедры «Инженерная графика» МАИ (НИУ), который с 2005 г. работает в области создания макетов агрегатов авиационной техники с применением аддитивных технологий, предложена следующая методика:

1) доработка 3D-модели агрегата с учетом особенностей производства методом аддитивных технологий;

2) декомпозиция параметрической 3D-модели изделия;

3) разработка вариантов технологического членения изделия с учетом особенностей технологического оборудования, технологических процессов при производстве и сборке изделия.

Методика апробирована при изготовлении полноразмерных и уменьшенных макетов изделий с помощью технологии Selective Laser Sintering (SLS-технологии). SLS-технология основана на селективном лазерном спекании порошковых материалов и относится к технологиям аддитивного производства. Основным оборудованием являлась установка EOSINT P 395. В качестве основного материала использован полиамид 12 - PA 2200.

Изготовление опытных образцов и выявление недостатков. Рассмотрим этапы применения методики на примере изготовления полноразмерного макета агрегата современного авиационного двигателя. В качестве исходных данных для создания макета использована параметрическая трехмерная модель (рис. 1).

Проверка прочностных характеристик образца. Проведен прочностной анализ образцов, изготовленных из материала PA2200 (рис. 2), который показал удовлетворительные результаты (рис. 3,4).

оооооооооооо ¡-лт^соспоспспг^ют

фтЧС\|С\|Г\|ГОГ\|Г\|С\|Г\|С\|

■Сигма

Длина

Рис. 3. Прочностные характеристики материала РА2200 под нагрузкой

Проверка качества поверхности образца.

Для проверки получаемого качества поверхности и отработки способа технологического членения изготовлен образец (рис. 5).

Контроль качества поверхности изготовленного образца показал отклонение его геометрии от геометрии 3D-модели изделия (рис. 6, 7).

Рис. 4.Удлинение материала РА2200 под нагрузкой

Рис. 5. 3Б-модель образца

Рис. 6. Сопоставление результата 3Б-сканирования опытного образца и геометрии САО-модели

Рис. 7. Отклонение поверхности опытного образца от идеальной

Доработка 3D-модели агрегата с учетом особенностей производства методом аддитивных технологий. Причиной отклонения поверхности опытного образца от идеальной послужило качество геометрии, которая заложена в формат файла, используемый для хранения трехмерных моделей объектов, - STL-геометрии. Данные STL-геометрии передаются на оборудование из CAD-системы. Для устранения недостатков при изготовлении применена методика исправления STL-сетки с помощью программного комплекса 3DTransVidia.

Параметрическая электронная модель может быть представлена в трех видах: как облако точек с известными координатами каждой точки, как поверхностная сетка треугольников (например, в формате STL) и, наконец, в параметрическом виде, когда объект задан параметрическими поверхностями и кривыми. 3DTransVidia обеспечивает совместимость различных представлений модели [4]. На рис. 8 и 9 представлены STL-сетка, импортированная из CAD-системы, и исправленная сетка. Плотная сетка позволяет существенно уменьшить шероховатость поверхности изготовленного образца.

Декомпозиция параметрической 3D-модели изделия и технологическое членение конструкции.

Для изготовления больших частей макета необходимо провести работу по технологическому членению агрегатов. При этом в конструкцию добавлены специальные фиксирующие кольца, которые позволяют точно выполнить последующую сборку агрегатов.

Окончательный вариант модели изделия представлен на рис. 10 и 11.

[ШМ Ш /.

Рис. 10. Окончательная 3D-модель Рис. 11. 3D-модель в разрезе

В доработанной модели предусмотрены посадочные места под кольца и дополнительные посадочные поверхности, используемые при окончательной сборке. Окончательная проработка изделий проведена с учетом возможностей оборудования - размеров камеры для изготовления.

Работа по изготовлению поделена на 2 этапа. На первом этапе изготовлены изделия, которые по своим габаритам не превышали размеры рабочей камеры оборудования. На втором этапе изготовлены агрегаты крупногабаритных изделий в виде отдельных деталей

с последующей сборкой и финишной обработкой.

Компоновка моделей деталей в камере оборудования выполнена с помощью программного продукта Magics, который позволяет исключить возможные самопересечения 3Б-моделей и заложить технологические зазоры между деталями для избегания перегрева детали при спекании (рис.12).

При сборке изделий из полиамида применяются несколько вариантов креплений. Это механические замки, изготовляемые вместе с деталью и являющиеся ее частью, а также различные клеи на основе эпоксидной смолы с добавлением порошка полиамида для придания смеси более густой консистенции и образования в месте склеивания однородной структуры.

В качестве основного варианта в рассматриваемой конст-риа 12. К°мпон°вка рукции выбрана стыковка изделия в виде паза с последующим камеры оборудования заполнением клеящей смесью (рис. 13).

Для сохранения геометрии канала и исключения

Л погрешности сборки применены специальные

фланцы, изготовленные методом лазерной резки

металлов. Фланцы устанавливаются при

окончательной сборке изделия и закрепляются при

помощи болтов М4 с самоконтрящимися гайками,

чтобы исключить саморазвертывание. Варианты

риа 13. Шриант техн°логическ°го членения агрегатов представлены на рис. 14 и 15. членения обода стойки

Самым сложным с точки зрения технологического членения является выход двигателя. Выбор оптимального варианта членения в этом случае зависит от размера камеры оборудования и от сложности конечной сборки и обработки. Для дополнительного контроля канала и жесткости конструкции в рассматриваемом агрегате стыковка проходит по всем поверхностям (рис. 16).

Изготовление конструкции. Основные этапы изготовления и сборки агрегата показаны на рис. 17.

Рис. 16. Технологическое членение части выхода

Рис. 17. Изготовление агрегата авиационного двигателя

Полное изготовление всех агрегатов макета заняло: в объеме материала - 4,5 камеры, в объеме времени работы машины - 112 часов (без учета времени на остывание).

Валидация геометрических параметров. С целью валидации и верификации полученных данных с 3D-геометрией проведено лазерное сканирование агрегатов изделия с помощью координатно-измерительной машины FAROFusionArm с лазерной сканирующей головкой Kreon. В результате лазерного сканирования получено облако точек в единой системе координат, которое содержит всю информацию по геометрической модели исследуемого объекта и представляет собой взаимно ориентированный массив точек. Процедура обработки облака точек и получения трехмерной модели осуществлена в программном комплексе Geomagic Studio. Результат сравнения отсканированной детали и эталонной 3D-модели представлен в таблице и проиллюстрирован на рис. 18 и 19.

Таблица

Отчет о сканировании детали агрегата авиационного двигателя

Входные данные Стандартные отклонения

Наименование Значение Наименование Координаты точек В % к итогу

Число точек данных 4393186 Выход за верхнее критическое значение 0 0,000

Тип допуска 3D отклонение Выход за нижнее критическое значение 0 0,000

Единицы мм Для реального распределения (+/-)

Макс. критическое 1,000

Макс. номинальное 0,000

Мин. номинальное 0,000 -1 0 0

Мин. критическое -1,000 -0,4 0 0

Отклонение -0,3 0 0

Макс. верхнее откл. 1,000 -0,2 24649 0,561

Макс. нижнее откл. -1,000 -0,15 118949 2,708

Среднее отклонение 0,15 -0,1 3802035 86,54

Стандартное отклонение 0,18 0,1 282124 6,422

Отклонения распределения 0,2 157882 3,594

Признак Координаты точек В % к итогу 0,3 7547 0,172

Боль ше или равно мин. Меньше макс 0,4 0 0

-1,000 0,000 394727 8,985 0,5 0 0

0,000 1,000 3998459 91,015 0,7 0 0

Валидация геометрических параметров методом лазерного трехмерного сканирования показала соответствие геометрии изготовленных деталей параметрической модели. Среднее отклонение по всей геометрии деталей равно 0,2 мм, что соответствует характеристикам технологического оборудования. Максимальное отклонение наблюдается в мес-

тах стыков в деталях, которые для изготовления были разделены на части, и составляет от 0,2 до 0,3 мм.

60

50 /

40

е 30 ✓

5?

20

10

0

1_

г

г

■ [ ■

■

2

-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,1 0,2 0,3 0,4

Отклонения

Рис. 18. Диаграмма отклонений

Рис. 19. Распределения отклонений по поверхности

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позволили получить следующие новые научные результаты:

1) выявлена зависимость между качеством STL-сетки модели и качеством изготовления деталей, обладающих сложными профилированными поверхностями;

2) разработана и апробирована методика применения аддитивных технологий для изготовления опытных образцов агрегатов и узлов авиационной техники.

Изготовление деталей с помощью аддитивной технологии позволило сформулировать некоторые рекомендации по ее применению:

1) рекомендуется сложные составные модели членить на более простые, так как это позволит создавать монолитные модели без дополнительных стыков, чтобы увеличить точность при изготовлении и снизить расход материала;

2) для обеспечения необходимой точности сборочных работ необходимо предусматривать в параметрических моделях дополнительные утолщения в местах стыков;

3) для обеспечения качества изготовляемых посредством аддитивных технологий агрегатов и узлов авиационной техники необходим контроль качества сеточного представления моделей (как при экспорте из CAD-систем, так и непосредственно при подготовке к запуску прототипирующей установки).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сапрыкин, А.А. Повышение производительности процесса селективного лазерного спекания при изготовлении прототипов: дис. ...канд.техн.наук / А.А.Сапрыкин. - Юрга, 2006. - 161 с.

2. Шишковский, И.В. Селективное лазерное спекание и синтез функциональных структур: дис. .д-ра физ.-мат. наук/ И.В. Шишковский. - Самара, 2005. - 390 с.

3. Гореткина, Е. 3Б-печать как способ изготовления деталей/ Е. Гореткина. - URL: http:// www.pcweek.ru/industrial/article/detail.php?ID=157646.

4. 3DTransVidia-интеллектуальная трансляция моделей.- URL: http://www.tesis.com.ru. /software/3 dtransvidia/.

Материал поступил в редколлегию 20.04.15.