Аддитивные технологии уже сегодня делают революцию в промышленности, в том числе в самых высокотехнологичных отраслях, например, в двигателестроении. Раньше сложные детали состояли из нескольких элементов, соединенных между собой, что приводило к увеличению их массы, а процесс изготовления включал множество этапов. Сегодня на машиностроительных предприятиях детали с внутренними полостями и каналами делают с помощью 3D-печати.
Современный газотурбинный двигатель — одно из сложнейших изделий, созданных человеком. Конструкция, в которой в среднем 10 тысяч деталей, должна выдерживать температуры до 1700 градусов Цельсия, огромные нагрузки, вибрации и давление. Стран, способных создавать такие изделия, начиная с проектирования и заканчивая серийным производством и сервисным обслуживанием, — единицы, точнее всего пять. И Россия среди лидеров.
Еще несколько лет назад выпуск любой детали авиационного двигателя занимал немало времени — создание заготовки, ее механическая обработка, контроль — и после этого готовое изделие поступало на сборку. При этом сложные детали, в которых есть внутренние каналы или ячеистые структуры, невозможно было сделать единой конструкции. Для них нередко изготавливались несколько элементов, которые затем соединяли с помощью крепежных элементов или сварки. Это увеличивает массу и снижает ресурс детали, то есть время ее использования до ремонта.
Кроме того, в двигателестроении большая часть деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов, которые способны выдерживать высокие нагрузки и температуры. При производстве с помощью традиционных методов — штамповки, резания, сварки — необходима оснастка. Она дорогостоящая, а на ее проектирование и изготовление уходит немало времени. Для серийного производства это не так критично, как при разработке новых изделий, на стадии опытного производства время и затраты могут быть достаточно ощутимы.
Все это напрямую ведет к повышению себестоимости двигателя, стоимости его обслуживания при эксплуатации, что в конечном итоге сказывается на цене билетов на самолет. Поэтому инженеры постоянно ищут способы сделать детали легче, прочнее и технологичнее.
На предприятиях Объединенной двигателестроительной корпорации Госкорпорации Ростех эти задачи решают с помощью аддитивного производства. «Выращенные» детали уже серийно применяются на двигателях ПД-14 для среднемагистрального МС-21−310 и ПД-8 для ближнемагистрального «Суперджета».
«Выращенные» элементы также используются в двигателе-демонстраторе технологий ПД-35, который является базой для создания линейки силовых установок тягой от 24 до 50 тонн. Такие двигатели предназначены для дальнемагистральных самолетов.
Кроме того, «аддитивные» детали применяются в так называемых наземных двигателях для энергетики и транспортировки газа, например, в первой отечественной турбине большой мощности ГТД-110М для энергетики.
Как создаются «выращенные» детали
Инженер проектирует деталь сразу под аддитивное производство: рассчитывает ее форму, внутреннюю структуру, распределение нагрузок, поведение материала при экстремальных температурах, оптимальный метод изготовления. Здесь нужно уметь подходить комплексно и даже творчески, именно поэтому различные методы аддитивных технологий всё чаще притягивают людей, которые хотят создавать новое за более короткое время без потери качества.
В ОДК действует Центр аддитивных технологий, который непосредственно специализируется на развитии 3D-печати. ЦАТ решает задачи по опытному и серийному изготовлению заготовок деталей газотурбинных двигателей ОДК.
Например, при перепроектировании картера новейшего авиадвигателя ПД-8 под аддитивное производство его массу снизили на 40%. Несколько отдельных элементов объединили в одну монолитную конструкцию. Объем механической обработки уменьшился на 80%, исключена дорогостоящая оснастка.
Что это означает для разработчиков? Меньше деталей, соединений, а значит — меньше риск выхода детали из строя. Снижение веса деталей уменьшает общую массу всего авиационного двигателя, а значит — самолет при с такими силовыми установками сможет перевести большее количество пассажиров или грузов. Но главное преимущество — более быстрый и менее затратный цикл разработки и производства.
«Выращенные» детали уже стоят в двигателях ПД-8. На этапе разработки ПД-8 спроектировали более 220 аддитивных деталей, после всех испытаний и проверок в серийную конструкцию вошли более 10 наиболее ответственных элементов. Остальные ждут своего часа или станут частью задела для будущих разработок.
Другой пример — малоэмиссионная камера сгорания ГТД-110М. В ней применяются завихрители (закручивают воздушный поток для стабилизации горения). Специалистам удалось агрегировать 13 элементов в одну деталь со снижением массы на 7,5 кг и уменьшением расхода материала. Эта деталь камеры сгорания имеет сложную геометрию, включая развитые внутренние поверхности и каналы и серийно изготавливается из никелевых сплавов с помощью 3D-печати.
Как деталь «выращивается» из металла
Если ответить просто, то послойно, миллиметр за миллиметром.
При создании деталей двигателей в основном применяют два метода. Первый — селективное лазерное сплавление. С помощью специального оборудования металлический порошок подается в рабочую камеру с инертным газом, заполняя ее. Лазерный луч моментально расплавляет порошок по заданному контуру, создавая один слой, толщина которого до 0,1 мм.
Затем платформа опускается, наносится следующая порция порошка — и цикл повторяется пока не будет изготовлена вся деталь со всеми внутренними и внешними элементами. Так изготавливают сложные детали с высокой геометрической точностью и минимально необходимой финишной обработкой.
Второй метод — прямое лазерное выращивание. Металлический порошок или проволока подается непосредственно в зону лазерного луча. Это позволяет печатать с высокой скоростью, при этом толщина слоя может быть значительно больше, чем у первого метода.
Прямое лазерное выращивание часто используется для изготовления крупногабаритных конструкций, а также для ремонта, например, восстановления изношенных лопаток турбин. С его помощью также создают сложные изделия с тонкими стенками, выдерживающими высокие нагрузки.
Обе технологии дают свободу внутренней геометрии. Внутренние каналы охлаждения сложного профиля, решетчатые структуры, монолитные узлы из многих прежде отдельных деталей — все это становится доступным конструктору и технологу на предприятиях ОДК Госкорпорации Ростех. Такие технологии меняют сам подход к созданию авиационных двигателей, открывают новые возможности.
Раньше инженер часто думал: «Сможем ли мы это изготовить?» Теперь вопрос все чаще звучит иначе: «Какой способ 3D-печати выбрать?».
