CC BY
242
тивных
Г
О
в авиации
Аннотация. Рассмотрены основные варианты применения аддитивных технологий при производстве и ремонте воздушных судов и авиационных двигателей. В последние годы у мировых производителей авиационной техники наблюдается значительный прогресс в этом направлении. Они отмечают высокую эффективность данных технологий по экономическим и временным параметрам. В то же время очевидна необходимость большого объема экспериментальных исследований оборудования, используемых материалов, а также отработки технологии изготовления конкретной детали с последующим сертифицированием для целей авиации. Исследования, проводимые в научно-исследовательской лаборатории БГАА при использовании профессионального 3D-принтера FORTUS-450ms фирмы STRATASYS (США) и оригинального филамента показали высокую эффективность технологии при изготовлении сложных деталей. Отмечается проблема отсутствия в Беларуси ГОСТов на производство изделий с применением данных технологий, которые особенно важны при изготовлении деталей, используемых в авиации.
Ключевые слова: авиация, авиастроение, аддитивные технологии, аддитивное производство, стандартизация, сертификация.
Прогресс техники и технологий связан с поиском и внедрением новых методов изготовления деталей, позволяющих создавать изделия с новыми, недостижимыми ранее качествами. Наиболее перспективным направлением развития промышленного производства являются аддитивные технологии (АТ), использующие цифровые 3D-модели.
Параметры 3D-печать методом SLM Традиционные способы обработки
3 недели,
Затраченное время из низ 40 часов на изготовление 24 недели
Количество 1 4
компонентов детали
Количество сварных соединений 0 5
Стоимость детали 5 000 долл. 10 000 долл.
Таблица. Методы изготовления инжектора реактивного двигателя
Технология трехмерной печати (3Э), получившая распространение во второй половине 80-х годов прошлого столетия, обязана достижениям в области проектирования и моделирования с помощью цифровых технологий, а также широкой компьютеризации. Появляется возможность оперативно вносить изменения в конструкцию. Для этого не приходится заново изготавливать оснастку, литьевые формы или штампы, достаточно изменений в цифровой модели. АТ позволяют не только ускорять процесс производства, но и экономить металл. С помощью аддитивных технологий можно изготавливать детали из композиций, например создавать градиентные конструкции из разных по химическому составу или структуре металлических порошков для деталей, части которых работают в разных условиях. Возможно применение АТ в разработке методик ремонта путем заполнения материалом поврежденных частей конструкций. Особенно важна возможность сделать целиком одну деталь, а не собирать ее из частей. Меньшее количество
деталей - это тоже один из показателей совершенства авиадвигателя. Неотъемлемое техническое требование к любой продукции авиационной и космической промышленности - снижение веса изделия. В решении задачи оптимизации конструкции с целью создания внутренней облегченной структуры без потери функционального назначения изделия аддитивные технологии являются непревзойденным по возможностям инструментом. Если раньше разработчики творили, исходя из жестко ограниченных возможностей традиционных технологий, и проявляли недюжинную смекалку при проектировании сверхсложной оснастки для изготовления непростых по форме и максимально облегченных деталей, то теперь об этих ограничениях можно забыть. При использовании технологий трехмерной печати стало возможным, не прибегая к изготовлению оснастки, получать детали самой сложной формы и с наименьшим весом.
Центр NASA, Центр космических полетов им. Дж. Маршалла (Хантсвилл) и компания Directed
Manufacturing провели огневые испытания инжектора, разработанного в рамках американской государственной программы создания сверхтяжелого ракетоносителя для пилотируемых полетов Space Launch System. Был представлен изготовленный методом ЭЭ-печати компонент реактивного двигателя, состоящий всего из двух частей, в то время как подобные инжекторы, изготовленные по традиционным технологиям, включали 115 деталей. Во-вторых, при экстремальных воздействиях были проверены свойства материала инжектора (порошковый сплав никеля и хрома). Во время испытаний через инжектор в камеру сгорания пропустили жидкий кислород и газообразный водород,таким образом увеличив тягу двигателя в 10 раз (до 9,07 кг). В таблице приведено сравнение методов изготовления инжектора реактивного двигателя [2].
Есть вещи, которые не сделать традиционным способом. Например, с точки зрения газодинамической эффективности выходные кромки лопаток должны
быть очень тонкими. Применение АТ позволяет получить кромки толщиной порядка 0,15 мм. Литьем этого добиться невозможно. А тонкие кромки - это в итоге более высокий КПД. Это и есть то новое качество, которое развязывает руки конструкторам [1]. Для максимального выигрыша от АТ при проектировании деталей можно выходить за рамки опыта конструктора и сложившегося подхода к проектированию. Например, для деталей авиационных двигателей одной из задач является минимизация массы конструкции при удовлетворении прочностных ограничений в заданных условиях эксплуатации, но прочностные свойства «напечатанной» лопатки будут отличаться от свойств детали, полученной традиционными способами. Поэтому прежде чем «напечатать» деталь и поставить ее на двигатель, надо провести очень много дополнительных исследований.
Авиадвигателестроительные фирмы во всем мире сейчас занимаются изучением свойств таких изделий сначала на образцах, потом в реальных деталях, прочностные характеристики которых зависят не только от химического состава материала, но и от вида полуфабриката, а также от режимов термообработки. В случае использования АТ параметров, влияющих на прочность, гораздо больше. У порошкового материала это не только химический состав, но и размеры гранул, разброс размеров, их геометрия, включения, способ изготовления и т.д., что демонстрирует многовариантность аддитивной технологии. В лазерных процессах это и мощность луча, и направление треков его движения, и величина пятна, и время воздействия. Структура детали
получается неоднородной, а по механическим характеристикам анизотропной: в направлении выращивания и в поперечном направлении характеристики, как правило, различны. Таким образом, одновременно с деталью разрабатывается, по сути, технология ее производства, поэтому в случае АТ мы говорим уже не о проектировании конструкции, а о поиске конструктивно -технологического решения, поскольку физико-механические свойства, прочностные и другие характеристики детали устанавливаются в процессе ее изготовления.
Анализ применения аддитивных технологий по данным Wohlers Associates показывает, что в 2012 г. мировой рынок аддитивного производства составлял 2,2 млрд долл., в 2013-м вырос до 3,2 млрд, средний темп роста составил 20-30%. Прогнозируется, что к 2020 г. его объем может достичь 16 млрд долл. [7, 8]. Рынок аддитивных технологий стремительно меняется, происходит слияние и поглощение компаний-производителей машин, возникают новые центры оказания услуг, эти центры объединяются в европейскую, а теперь уже и в глобальную сеть. 63% всех аддитивных машин в мире производится в США. Наиболее заметно внедрение АТ в таких отраслях, как авиационная промышленность, судостроение, энергетическое машиностроение, а также стоматология и восстановительная хирургия. Главными заказчиками и потребителями АТ-продукции являются авиационная и автомобильная отрасли США и Европы. Эти технологии привлекают крупные промышленные компании: Boeing, Mersedes, General Electric, Lockheed Martin, Mitsubishi, General Motors.
Компания Boeing в последние годы значительно увеличила номенклатуру деталей, изготавливаемых по аддитивным технологиям. Сейчас таким образом изготавливается более 22 тыс. деталей Э00 наименований для 10 типов военных и коммерческих самолетов, включая Dreamliner.
В 22 странах уже созданы национальные ассоциации по аддитивным технологиям, объединенные в альянс GARPA. Открываются специализированные предприятия, например завод GE по производству методами АТ форсунок камер сгорания для двигателей LEAP-Ж Вес такой форсунки на 25% меньше, при этом долговечность в 5 раз больше. К 2020 г. фирма GE планирует изготавливать до 100 тыс. деталей методами АП, при этом рассчитывает на уменьшение веса до 1 000 фунтов на каждый авиационный двигатель. Количество машин для ЭЭ-печати, используемое фирмой, - более Э00.
Компания Rolls-Royce уже проводит летные испытания двигателя Trent XWB с изготовленным с помощью аддитивных технологий крупногабаритным титановым корпусом передней опоры. Выстроен целый завод, на котором уже налажен промышленный процесс выращивания лопаток из ин-терметаллида титана для турбин низкого давления. Фактически уже есть если не серийное производство, то полный производственный цикл для него, начиная от получения порошка и заканчивая лабораторными исследованиями продукции. Причем размер выращиваемых лопаток с бандажными полками - до Э25 мм высотой. Получается колоссальный выигрыш и в массе, и в скорости изготовления, и в расходе материала.
Эти лопатки предназначены для использования на сертифицированных двигателях семейства LEAP фирмы CFMI. Проведена квалификация материала, производства, деталей: испытывались образцы, которые были выращены вертикально, горизонтально, под углом 45°. Это делалось, чтобы добиться такого технологического процесса, когда разница в свойствах в различных направлениях не превышала бы допустимой величины, что заняло около 7 лет.
Холдинг «Вертолеты России» обещает создать принципиально новый вертолет с использованием технологий 3Б-печати. Новый
проект должен объединить прежние наработки и привнести новые, в том числе в сфере аддитивных технологий. Летом этого года холдинг сообщал о намерении наладить серийное «ЭБ-принти-рование» около тридцати наименований специально перепроектированных вертолетных компонентов с 2020 г. Экспериментальное производство ЭЭ-печатных деталей, спроектированных с использованием методов топологической оптимизации, разворачивается на нескольких предприятиях холдинга, включая Казанский вертолетный завод и пермский завод «Редуктор-ПМ». Серийное
производство 3Б-печатных изделий отведено центру аддитивных технологий государственной корпорации «Ростех» на базе рыбинского научно-производственного объединения «Сатурн» [4].
Лазерная плавка металлов обретает все более важную роль в авиастроительной отрасли за счет более коротких производственных циклов, повышенной экономичности и практически неограниченной свободы дизайна, а также такие преимущества, как возможность изготовления более легких деталей на основе бионического дизайна. Хорошим примером являются 3Б-пе-чатные кронштейны для Airbus A350 XWB. Ранее эти компоненты изготовлялись за счет фрезеровки алюминиевых болванок, теперь же стало возможным изготовление 3Б-печатных титановых деталей. Само собой, это привело к значительной экономии веса. Так, в случае с титановым кронштейном была достигнута экономия в 30%. Меньший вес летательного аппарата при сохранении его аэродинамических характеристик означает более высокую грузоподъемность и, как следствие, повышенную рентабельность [3]. Есть и другие факторы, связанные не столько с эксплуатацией, сколько с самим производством. Затраты на оборудование, необходимое для аддитивного производства титановых компонентов, меньше, чем на производство с помощью субтрактивных методов. Кроме того, сокращается и сам производственный цикл. Компания Concept Laser указывает на сокращение затраченного времени на 75% и выше. Производство авиационных деталей за счет механической обработки дает порядка 95% отходов по весу, в то время
Рис. 1. Детали подлокотника пассажирского кресла салона самолета EMBRAER
/
Рис. 2. Воздушный кран индивидуального обдува (салон самолета ЯК-42)
Рис. 3. Лопасти воздушного компрессора снегогенератора СО-365 (ОАО «МИСОМ ОП»)
как лазерная плавка с использованием технологии Laser CUSING сокращает долю отходов до 5%. Что не менее важно, любые ошибки в дизайне могут быть замечены и исправлены на ранних стадиях производства, а его корректировка не требует дорогостоящей перенастройки производственных линий - достаточно лишь изменить цифровую модель [3].
Выборочная лазерная плавка или спекание позволяют создавать пористые изделия. В данном случае дизайнеры позаимствовали идею строения костей птиц. Как результат, детали получаются значительно более легкими, но при этом сохраняют необходимую прочность. Аналогичным образом можно создавать сложные системы внутренних каналов для охлаждения деталей в ходе эксплуатации. Все это возможно благодаря способности 3D-печати создавать сложные внутренние структуры, чего было бы невозможно добиться с помощью фрезеровки и даже литья [3].
С другой точки зрения, применение 3D-печати в авиастроении ставит ряд задач по обеспечению надежности летательных аппаратов, так как компромиссы в конструкции самолетов недопустимы, принимая во внимание, что сроки их эксплуатации составляют 30-50 лет. Самая распространенная технология при производстве самолетов - это сварка, которая достаточно хорошо изучена и доказала свою способность создавать конструкции с необходимой прочностью. Другое дело аддитивные технологии, где пока еще много неизвестного и предстоит изучить все тонкости создания изделий со сложной внутренней архитектурой. В связи с этим предстоит проделать
большой объем исследовательской работы, провести массу испытаний на надежность.
Существующие пределы прочности ограничивают выносливость деталей с точки зрения механической усталости, однако микроволновая обработка позволяет повысить прочность и стойкость до уровня листового материала. Классические технологии (например, литье) для изготовления деталей в стандартном исполнении экономически более выгодны по сравнению с АТ, особенно при массовом производстве. С другой стороны, авиастроители могут позволить себе создавать более дорогие части при условии, что это благополучно отразится на эксплуатационных характеристиках летательного аппарата, включая экономичность. А для прототи-пирования и тестирования 3Б-пе-чать не знает себе равных. Кроме того, она открывает возможность производства необходимых запасных частей в любой точке мира по требованию, что делает ненужным их выпуск и хранение в больших количествах [5].
Широкое применение пластмассовых деталей в авиации
способствует активному внедрению технологии FDM (Fused deposition modeling) в производство деталей салона самолетов. Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Энтузиасты 3D-печати, участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused Filament Fabrication» («Производство способом наплавления нитей»), или FFF, для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF равнозначны по смыслу и назначению. При переоборудовании воздушных судов существенным фактором является время. Для интеграции вновь разработанных элементов при усовершенствовании салона часто возникает потребность в адаптации или перепроектировании некоторых панелей или разделительных секций, которые обычно требуются в небольших объемах и в сжатые сроки. Компания Airbus совместно с компанией Materialise успешно использовала FDM-технологию для быстрого изготовления разделительных панелей для своего самолета
Airbus A350 XWB благодаря наличию сертифицированного аддитивного производства в компании Materialise.
3Б-печать обеспечивает следующие преимущества для модернизации воздушных судов:
■ ускорение производственного
процесса;
■ возможность кастомизации;
■ экономичность мелкосерийного производства.
При этом соблюдаются требования к качеству и летной годности.
В научно-исследовательской лаборатории БГАА начаты работы по использовании возможностей FDM-технологии для ремонта быстро изнашиваемых деталей интерьера самолетов авиакомпании «БЕЛАВИА», учитывая наличие профессионального 3Б-принтера FORTUS-450ms фирмы Stratasys и филамента, разрешенного для печати деталей авиационной техники американским и европейским стандартами. На рис. 1 представлены фотографии деталей подлокотника пассажирского кресла самолета Embraer, распечатанных в лаборатории. На рис. 2 -воздушный кран индивидуального обдува (салон самолета ЯК-42). Кроме того, производилась печать лопастей воздушного компрессора снегогенератора СО-365 по договору с ОАО «МИСОМ ОП» (рис. 3).
В настоящее время проводятся исследования по отработке технологии печати конкретных деталей с изучением механических свойств получаемых изделий. Проведены испытания на растяжение, сжатие и изгиб гостовских образцов, распечатанных на 3Б-принтере, в зависимости от режимов печати и степени заполнения образцов филаментом.
Лабораторией выполнялись также хоздоговорные работы для Научно-производственного центра многофункциональных беспилотных комплексов НАН Беларуси по печати деталей беспилотных летательных аппаратов.
Стандартизация любых новых технологий - глобальная задача, которую сегодня решают уполномоченные государственные учреждения в сотрудничестве с производственными компаниями. Это требует времени, усилий и ресурсов. В этой области основа успеха - это реальные результаты, интегральная характеристика всех составляющих: исходного материала, проработанной конструкции планируемого изделия, математических моделей изделия, технологий, оборудования, а также развитие и поддержка инжиниринговых центров в области АТ, которые уже сегодня реально имеют кадры, инфраструктуру, способны обеспечить создание системы стандартов для аддитивного производства, классификацию материалов, стандартизацию конструкций, технологий и оборудования, а также масштабное применение технологий с соответствующим результатом.
В 2015 г. на базе российских предприятий ФГУП «ВИАМ» и АО «Наука и инновации» был создан технический комитет ТК-182, в состав которого входят 67 организаций: 21 отраслевой институт, включая 4 медицинских центра, 9 конструкторских бюро и заводов, где уже начато освоение аддитивных технологий, 4 института РАН, 7 вузов. ТК-182 состоит из семи подкомитетов, формально его структура и состав утверждены приказом Госстандарта №383 только 28 февраля 2018 г. Уже разработано и утверждено 10 национальных стандартов, из них 8 действуют с 1 декабря 2017 г., 2 вступили в силу с 1 июля 2018 г. Для понимания сложности процедуры: проекты этих ГОСТов были разработаны еще в 2016 г. Задача ТК-182 - выпустить реальные рабочие документы, которыми будут руководствоваться практически во всех отраслях промышленности, а без этих документов о широком использовании АТ говорить не приходится [2].
Проблема сертификации аддитивного производства в Беларуси пока не решена.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Аддитивные технологии - индикатор развития государства / Исследовательская группа «Инфомайн» // Редкие земли. 2016. №2(7). С. 92-102.
2. Перспективы развития аддитивных технологий в Республике Беларусь: сб. докл. Междунар науч.-практ. симп. (Минск, 24 мая 2017 г.) / Нац. акад. наук Беларуси. - Минск, 2017.
3. Российские ученые продемонстрировали крупногабаритный 3й-печатный узел авиадвигателя. 2019 // https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/ the-use-of-additive-manufactu ring-in-the-aircraft-industry-for-example/.
4. Холдинг «Вертолеты России» сконструирует новый вертолет с 30-печатными деталями. 2019 // https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/ khol ding-verto lety-rossii-skonstruiruet-novyy-ve rto let-s-3d-pechatnymi-deta lyami.
5. Чумаков Д. М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники / Д. М. Чумаков // Труды МАИ. №78 // www.mai.ru/science/trudy/
6. Справка о развитии аддитивных производственных технологий в Великобритании. Торговое представительство России в Великобритании. Декабрь 2013. URL // http://prom.tularegion.ru/netcat_files/7645/9712/h_8ef5b02124b06204264e9a6a6ac00b0a.
7. Collins F. Wohlers report 2014 uncovers annual growth of 34.9% for 3D Printing and Additive Manufacturing industry / F. Collins // Wohlers report May 1, 2014 // htpp:// www.wohlersassociates.com/.
8. Wohlers T. The Faces of Additive Manufacturing / T. Wohlers // https://wohlersassociates.com/.
rjJSE^ http://innosfera.by/2019/09/Additive Technologies
