РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ КАМЕРЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ НА 3D-ПРИНТЕРЕ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.454.2:004.9

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ КАМЕРЫ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ НА ЭБ-ПРИНТЕРЕ

Р. А. Казаков*, А. А. Фоменко, В. В. Гордеев, П. А. Бривкальн, И. В. Дергач Научный руководитель - М.И. Толстопятов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

*Е-шаП: romankazakov-2@mail.ru

Произведен анализ применения аддитивных технологий в производстве изделий ракетно-космических техники, на примере изготовления эксперементальной камеры ракетного двигателя методом селективного лазерного плавления на 3D-принтере.

Ключевые слова: Технологический процесс, камера сгорания, 3D-печать, SLM

DEVELOPMENT OF A TECHNOLOGICAL PROCESS FOR MANUFACTURING THE EXPERIMENTAL ROCKETE ENGINE CHAMBER BY THE METHOD OF SELECTIVE LASER FUSION ON A 3D PRINTER

R. A. Kazakov*, A. A. Fomenko, V. V. Gordeev, P. A. Brivkaln, I. V. Dergach Scientific supervisor - M.I. Tolstopyatov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *Е-mail: romankazakov-2@mail.ru

The possibility of using additive technologies in the production of rocket and space technology products is analyzed, the technological process of manufacturing an experimental chamber of a rocket engine by selective laser melting on a 3D printer is presented.

Keywords: Technological process, combustion chamber, 3D printing, SLM

Аддитивные технологии в настоящее время являются одними из наиболее динамично развивающихся и перспективных производственных процессов, революционным направлением в авиационном и ракетно-космическом машиностроении. 3D печать даёт возможность получать точные прототипы изделий сложной формы, при этом значительно снижая их себестоимость. Также преимущества замены традиционных технологий в ракетно-космической промышленности аддитивными методами 3D-печати заключаются в снижении длительности производственного цикла изделий, сокращении и упрощении технологических операций.Разработка технологического процесса нового изделия существенно сокращается, так как за счет возможностей 3D-печати можно заменить большое количество традиционных операций по приданию заготовке необходимых геометрических параметров одной операцией печати.

В ракетном двигателестроении для внедрения аддитивных методов производства требуется большой объем научно-исследовательских и экспериментальных работ для подтверждения соответствия отраслевым стандартам, а также обязательной сертификации на государственном уровне.

Секция «Двигатели и энергетические установки летательных и космических аппаратов»

Под аддитивным производством понимается процесс изготовления деталей, основанный на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем.

Выборочное лазерное сплавление (SLM) - технология посредством которой осуществляется 3D печать металлических изделий. Под действием высокомощных лазеров, мелкодисперсный порошок, применяемый в качестве сырья, спекается в трехмерные конструкции слой за слоем .

В соответствии с программой приоритетных научно-исследовательских работ СибГУ кафедрой ДЛА совместно с индустриальным партнером ООО «Полихром» проводится комплекс экспериментальных работ по апробации и отработке режимов, ЗD-печати образца камеры-демонстратора ракетного двигателя малой тяги из модельного материала Силумина РС-300. Выбор данного материала объясняется его пластичностью, низкой температурой плавления и невысокой стоимостью.

Технология печати представляет собой несколько последовательных этапов:

- на компьютере создаётся цифровая модель изделия;

- модель разбивается на слои;

- рабочая камера 3D-принтера заполняется инертным газом;

- на рабочий стол наносится тонкий слой алюминиевого порошка;

- слой сплавляется лазером согласно его цифровой модели;

- затем процесс повторяется слой за слоем.

3D-печать камеры-демонстратора проводилась в соответсвии с геометрической формой и размерами компьютерной 3D-модели, разработанной с участием авторов доклада (рис. 1). Изготовление камеры осущесвлялось методом SLM-печати из металлического порошка алюминиево-кремниевого сплава силумин РС-300 на 3D-принтере «Astra SLM 420» собственной разработки ООО «Полихром».

Рис. 1. Компьютерная ЗБ модель корпуса камеры-демонстратора

ЗБ-принтер обеспечивает возможность печати 3Б САБ-моделей методом послойного селективного лазерного сплавления из порошков цветных металлов, всех видов сталей, никелевых, кобальт-хромовых, хромо-никелевых сплавов, титана. Основные технические характеристики принтера:

- размер камеры построения 420х420х280 мм;

- возможность работы со всем спектром порошков для БЬМ ЗБ-печати;

- динамическая фокусировка лазерного пятна от 40 мкм до 2 мм;

- время фокусирования менее 0,2 секунды;

- минимальная толщина стенки детали от 80 мкм;

- российское программное обеспечение;

- мощность лазерного излучения 500 Вт.

Управляющая программа позволяет устанавливать технологические параметры выполнения задания, контролировать все процессы, связанные с работой принтера, задавать скорость движения лазерного пятна, контролировать выполняемое задание, вести видеорегистрацию процесса построения детали [1].

Программа подготовки задания включает в себя программное обеспечение для обработки БТЬ-файлов (оптимизацию геометрии, построение опорных элементов, разрезание на слои) [2].

Важным аспектом 3Б-печати нового изделия является подбор оптимального режима печати. Этот процес может занимать длительное время, так как режим печати включает в себя настройки 3Б-принтера, влияющие на качество и структуру образуемой в ходе лазерной обработки поверхности слоя. К таким параметрам относятся: мощность, скорость и диаметр пятна луча лазера; толщина слоя порошкообразного материала, подаваемого на стол печати порошка. Процессы, проходящие в ходе сплавления схожи с процессами при электроннолучевой, лазерной сварке. В материале под действием лазера образуется ванна расплава частиц порошка, и по траектории движения лазерного луча образуется трек сплавленного материала. Некоторое количество материала во время сплавления испаряется - создавая газовое «облако» на пути лазера, что рассеивает часть его энергии. Для предотвращения этого явления в камере печати предусмотрен обдув инертным газом [3].

Еще одной особенностью 3Д печати является выращивание структур поддержки из этого же материала. Обычно, поддерживающие структуры не несут дополнительной функциональной нагрузки, но с небольшими конструктивными доработками они могут играть роль дополнительного теплоотвода.

Разработка программы печати, выбор технологических режимов, настройка параметров и контроль за процессом печати выполнялись Щелкановым А.Н. и Романовым А.Н., с участием авторов настоящего доклада.

Печать корпуса камеры-демонстратора заняла 53 часа 20 минут. Для улучшения качества стенок корпус камеры был разделен на три условные зоны печати - зона цилиндрической части, зона критического сечения, зона сверхзвуковой части сопла. Для каждой из этих зон на опытных образцах подбирался оптимальный режим печати. По завершению печати была проведена термическая обработка - низкотемпературный отжиг при температуре 250°С с выдержкой 4 часа. Поверхности камеры-демонстратора обработаны на пескоструйной установке.

С целью повышения точности изготовления изделий методом аддитивных технологий и уменьшения шероховатости поверхностей деталей следует проводить дальнейшие комплексные теоретические и экспериментальные работы по совершенствованию программного обеспечения и режимов печати.

Библиографические ссылки

1. Технология 3Б печати алюминием и отрасли применения [Электронный ресурс], иКЬ:кйр8://3ё1Ь1.ш/81а11/а1уит1т1-итуег8а1пу1-та1епа1 (дата обращения 25.02.2022)

2. ГОСТ Р 57558-2017. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Термины и определения. Дата введения 2017-12-01.

3. Применение аддитивных технологий для изготвления деталей перспективных газотурбинных двигателей [Текст] / Л. А. Магеррамова, Ю. А. Ножницкий, Б. Е. Васильев и др. // Технология легких сплавов. -2015. -№4. С. 7-13.

© Казаков Р. А., Фоменко А. А., Гордеев В. В., Бривкальн П. А., Дергач И. В., 2022