CC BY
185
УДК 629.78(062)
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ
Н. С. Шестов Научный руководитель - М. И. Толстопятов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрены случаи и перспективы применения аддитивных технологии в аэрокосмической отрасли, как в России, так и в других странах.
Ключевые слова: аддитивные технологии, ракетно-космическая техника, SLM, DMLS, SLS.
APPLICATION OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN ROCKET AND SPACE TECHNOLOGY
N. S. Shestov Scientific supervisor - M. I. Tolstopyatov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
Cases and prospects of the use of additive technologies in the aerospace industry, both in Russia and in other countries, are considered.
Keywords: Additive technologies, rocket and space technology, SLM, DMLS, SLS.
На сегодняшний день аддитивные технологии (AT) являются наиболее эффективным способом производства сложных по геометрической форме и структуре изделий из металлических порошков по математическим CAD-моделям. Этот процесс заключается в последовательном послойном расплавлении порошкового материала посредством мощного лазерного излучения в отличие от классических методов, ориентированных на удаление материала из массива заготовки.
Благодаря AT-технологиям время на производство и расход материала детали значительно сокращается, что позволяет предприятию не только экономить, но и увеличить количество произведенных деталей.
Не маловажной особенностью АТ-технологии является близость получаемой формы изделия к заданной, что существенно сокращает расходы материала и отходы производства.
AT-технологии включают в себя следующие операции:
• создание 3D-мoдeли в CAD-системе (описание изделия, ее компьютерная модель, позволяет на ранних этапах создания объекта обнаружить и устранить дефекты);
• выбор материала, из которого должно быть изготовлено изделие;
• анализ модели в CAE-системе (разработка оптимального алгоритма предварительного моделирования изделия, учитывая ее конфигурацию и материал);
• AT-машина (печатающее устройство) производит формирование готового изделия.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 1
Большое внимание стоит уделять при выборе CAD- и CAE-систем, учитывая тип изделия, его материал и какие AT будут применяться при его изготовлении.
В машиностроительных отраслях наиболее распространенными AT являются SLA, SLS, DMF, SLM, DLP, Poly-Jet, FDM, Ink-Jet [1].
Производственный цикл состоит из нанесения тонкого слоя порошка на рабочую поверхность - как правило, металлический стол, способный передвигаться в вертикальном направлении. Процесс печати протекает в рабочей камере, заполняемой инертными газами (например, аргоном). Отсутствие кислорода позволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан. Каждый слой модели сплавляется, повторяя контуры слоев цифровой модели. Плавка производится с помощью лазерного луча, направляемого по осям X и Y двумя зеркалами с высокой скоростью отклонения. Мощность лазерного излучателя достаточно высока для плавки частиц порошка в гомогенный материал [2].
Технология выборочной лазерной плавки применяется для построения объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и полостями. SLM успешно применяется в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать высокопрочные элементы конструкций, недосягаемые по геометрической сложности для традиционных механических методов изготовления и обработки (фрезеровки, резки и т.д.). Побочным положительным эффектом служит экономия материалов, ибо SLM в силу своей специфики является практически безотходным производством. Кроме того, детали, на изготовление которых традиционным способом уходят месяцы, данная технология позволяет получить те же детали менее чем за 50 часов.
В ходе испытаний NASA было установлено, что детали для ракетных двигателей J-2X и RS-25, изготовленные из никелевых сплавов методом SLM, несколько уступают по плотности материала аналогам, изготовленным литьем с последующей сваркой компонентов. С другой стороны, отсутствие сварочных швов благоприятно влияет на прочность изделий.
Компания Relativity Space, использующая 3D-npnHTep Stargate SLM-технологии, (правда, вместо металлического порошка используются металлические сплавы в виде проволоки собственного производства компании) производит более 95% компонентов двигателя, при том успешно испытаны более 100 напечатанных двигателей.
Также данную технологию в ракетостроении освоила компания Rocket Lab. Ракета Electron, имеющая 9 двигателей Rutherford (RF-1) (которые, по большей части создаются с помощью 3D-ne4aTH: камеры сгорания, инжектора, насосы, топливные клапаны), на первой ступени и 1 двигатель (RF-1V) на второй ступени, уже имеет 6 успешных запусков. Компания заявляет, что на изготовление компонентов для одного двигателя им требуется 24 часа [3].
Российская компания ОАО «НИАТ НТК» используя AT провела работы по замене топливных форсунок авиационного двигателя из никелевого сплава CL100NB, в результате чего значительно снижен процент брака, а масса уменьшена на 17%.
Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) впервые в России изготовили по AT прототип малоразмерного газотурбинного двигателя (МГТД) для беспилотных летательных аппаратов.
МГТД был изготовлен полностью на базе аддитивного производства ВИАМ по новой технологии послойного лазерного сплавления с использованием металлопорошковых композиций жаропрочного и алюминиевого сплавов, созданными специалистами института. Эта технология позволяет получить деталь в 30 раз быстрее, чем традиционными способами, толщина стенки камеры сгорания этого двигателя составила 0,3 мм.
Первый успешный опыт внедрения AT в ВИАМ осуществлен в 2015 г. Тогда впервые в нашей стране был изготовлен из отечественной металлопорошковой композиции завихритель фронтового устройства камеры сгорания перспективного двигателя ПД-14. В настоящее время напечатано более 200 завихрителей [4].
АО «Центр технологической компетенции аддитивных технологий» в г. Воронеж, он же «Центр аддитивных технологий» (ЦАТ) является проектом государственного-частного партнерства, реализация которого началась в 2G13 году, уже является одной из крупнейших организаций в стране, использующая оборудование в сфере AT.
ЦАТ, используя AT, изготавливает изделия для таких госпредприятий, как «Ростех» и «Росатом» [5].
В заключении можно выделить, что аддитивные технологии на сегодняшний момент динамично развивающиеся технологии, которые обладают множеством преимуществ. Однако их повсеместное внедрение заключено с имеющимися недостатками и вытекающими из них рисками их внедрения.
Опираясь на опыт использования AT в мире, практика производства инструментов показала их существенные преимущества по сравнению с полученными традиционными методами. Наиболее перспективной AT в ракетном двигателестроении является SLM-технология и ее подвиды, например - DMLS. А для создания высокоточных геометрически сложных более эффективной будет SLS- и SLM-технологии.
В пользу этого говорит и тенденция в усложнении, интеллектуализации и повышении эффективности инструмента и технологической оснастки. Проблемными вопросами являются не только практическое отсутствие отечественного оборудования и металлических порошков для 3D-ne4aTH, но, главное, подготовка кадров-инструментальщиков всех уровней, владеющих новыми инновационными подходами к проектированию, изготовлению, контролю и эксплуатации инструментов нового типа.
Библиографические ссылки
1. Шалобаев Е. В., Перепелица Ф. А., Красноруцкая Н. С. Аддитивные технологии в машиностроении. Ижевск - Приборостроение в XXI веке - 2G16. Интеграция науки, образования и производства, 2G16. 319 с.
2. Все самое актуальное о мире 3D-ne4ara: новости, блоги, обзоры и технички [Электронный ресурс]. URL: https://3dtoday.ru/wiki/SLM_print/ (дата обращения: 13.2.2G2G).
3. MIT Technology Review [Электронный ресурс]. URL: https://www.technolo-gyreview.com/s/6l3792/rocket-lab-the-small-firm-that-launched-the-3d-printed-space-revolution/?utm_source=twitter&utm_campaign=site_visitor.unpaid.engagement&utm_medium=tr _social (дата обращения: 13.G2.2G2G).
4. Современные технологии производства [Электронный ресурс]. URL: https://extxe. com/3951/rynok-additivnyh-tehnologij/ (дата обращения 14.2.2G2G).
5. Центр аддитивных технологий: промышленные 3D-npnHTepbi 3D Systems, Stratasys, SLM, EOS [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/company/top3dshop/blog/4l8739/ (дата обращения: 13.2.2G2G).
О Шестов Н. С., 2G2G
