Аддитивные технологии меняют промышленный уклад. Растет количество созданных с помощью 3D-печати деталей в составе сложной техники, включая авиационные двигатели.
Все больше предприятий внедряют в производство аддитивное оборудование. На примере 3D-печати металлом, которая активно применяется на предприятиях Объединенной двигателестроительной корпорации, рассказываем о преимуществах промышленных принтеров и принципе их работы.
Слой за слоем
Аддитивное производство на основе металла (от лат. addere «добавлять») – одна из наиболее быстро развивающихся технологий в обрабатывающей промышленности. Этот способ создания деталей методом поэтапного добавления материала на основу также называется промышленной 3D-печатью.
В отличие от традиционного производства, например, токарного или фрезеровочного, где от заготовки механически отсекается все лишнее, в аддитивном производстве объект, наоборот, постепенно создается из нужного материала, как бы выращивается из различных материалов. Основные сферы применения трехмерной печати металлом – прототипирование, авиакосмическая промышленность, машиностроение, изготовление инструментов, медицинских имплантов и многое другое.
Основные преимущества 3D-печати металлом – возможность создания объектов сложных форм, снижение веса деталей без снижения прочности, более сжатые сроки производства, экономичность и экологичность. Действительно, 3D-принтеры работают с минимумом отходов, а специальные технологии позволяют вторично использовать остатки используемых материалов.
Трехмерная печать металлом позволяет создавать сложные цельные конструкции. Это дает возможность исключить многие технологические операции, такие как сварка и сборка.
3D-печать позволяет объединить в одном узле 30-40 элементов без потери функциональности и создать такие детали, которые получить на обычных станках порой просто невозможно.
Как работает 3D-принтер
3D-печать металлом – общее определение для ряда технологий. В целом так можно назвать любую технологию, когда металлический объект создается слой за слоем с помощью процессов спекания, плавления или сварки. Распространенным видом 3D-печати металлом является селективное лазерное сплавление (SLM, Selective laser melting), когда металлический порошок сплавляется с помощью мощного лазера. Рассмотрим работу промышленного принтера на примере этой технологии.
При использовании любого вида печати до начала работы с 3D-принтером по металлу необходима трехмерная модель изготавливаемой детали. Она создается с помощью программ САПР – систем автоматизированного проектирования. Затем цифровая модель переводится в стереолитографический формат STL и загружается в специальное программное обеспечение, которое делит модель на очень тонкие, толщиной от 20 до 100 мкм, горизонтальные слои, определяет необходимые опоры и проводит другие подготовительные работы.
Далее мы переходим непосредственно к самому принтеру. Камера устройства сначала заполняется инертным газом (например, аргоном), чтобы минимизировать окисление металлического порошка, а затем нагревается до оптимальной температуры.
Тонкий слой металлического порошка распределяется по платформе построения, и лазер высокой мощности проходит с заданной скоростью поперечное сечение компонента, сплавляя металлические частицы вместе и создавая слой. Когда процесс сплавления завершен, платформа перемещается вниз на толщину одного слоя, а устройство распределяет еще один тонкий слой металлического порошка. Процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет построена полностью.
Детали, как правило, прикрепляются к платформе сборки через опорные конструкции − поддержки. Поддержка необходима для уменьшения деформации, которая может возникнуть из-за высоких температур обработки, а также отводит излишки тепла. В 3D-печати металлом поддержка изготавливается из того же материала, что и деталь, и обычно представляет собой ажурную конструкцию, которая удаляется после создания детали.
После завершения печати камера охлаждается до комнатной температуры, излишки порошка удаляются вручную. Затем деталь вместе с платформой извлекается из камеры, подвергается термообработке и механическим способом отделяется от платформы. После этого проводятся все необходимые действия по финишной обработке детали.
Аддитивные технологии в производстве авиадвигателей
3D-печать металлом и другие виды аддитивного производства активно развиваются на предприятиях Объединенной двигателестроительной корпорации.
В России крупнейшим предприятием, специализирующимся на промышленной 3D-печати полного цикла, является Центр аддитивных технологий Ростеха. Здесь создаются детали для самых масштабных проектов отечественной авиации, таких как двигатели ПД-14, ПД-35, двигатели для вертолетов ВК-650В, ВК-1600В и многие другие.
На передовой освоения
В Научно-исследовательском институте технологии и организации производства двигателей, филиале ОДК, также идут работы по освоению аддитивных технологий. На гибридном комплексе, запущенном в 2021 году, сотрудники филиала изготовили более 10 единиц опытных деталей для перспективного двигателя, а теперь изучают возможность и ремонта деталей серийных изделий.
Новая опытная деталь требует подготовки полного пакета конструкторской документации, затем – создания специальной оснастки и материалов. Такой традиционный процесс может занимать от нескольких месяцев до года. Когда же деталь двигателя изготовили и испытали в составе опытного узла, в нее могут быть внесены изменения, иногда кардинальные, которые потребуют повторения этого цикла – иногда и не один раз.
Для решения этих задач служат новые аддитивные технологии. В филиале запущен уникальный пятикоординатный гибридный комплекс отечественный разработки, совмещающий в себе функции обрабатывающего центра с ЧПУ, технологии прямого лазерного выращивания и лазерной сварки. Теперь специалисты могут поделиться опытом его применения - освоена печать 11 крупногабаритных опытных деталей, 6 из которых - тонкостенные.
Сейчас сотрудники НИИД работают над применением аддитивных технологий для ремонта деталей авиационного двигателя. В частности, совместно с Институтом лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ прорабатывается вопрос восстановления лопаток моноколеса двигателя АИ-222-25.
Кроме того, НИИД планирует расширять спектр работ внедрением новой аддитивной установки, которая позволит изготавливать заготовки из титановых и интерметаллидных сплавов.
Аддитивное производство (additive manufacturing) - процесс изготовления деталей по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего производства при механической обработке и традиционного формообразующего производства - литья, штамповки. Особенность технологии состоит в том, что изделие производят сразу целиком, нужной формы, поэтому часто эту технологию называют «3D печатью», а оборудование – «3D принтерами». Ученые относят аддитивное производство к шестому технологическому укладу наряду с цифровизацией, роботизацией, искусственным интеллектом, биотехнологиями. В передовых промышленно развитых странах мира до 80% деталей третьего уровня сложности изготавливаются при помощи 3D-печати. Сейчас развитие этих технологий переживает настоящий бум: мировой рынок растет в среднем на 20% в год. По оценкам экспертов, аддитивные технологии позволяют увеличить производительность труда не менее чем в 30 раз, при этом коэффициент использования материала достигает 98%, а масса конструкции уменьшается на 50%. В разы сокращаются сроки изготовления детали.
Студенты по целевому набору Объединенной двигателестроительной корпорации, которые получают специальность по двум направлениям авиастроения: инженер-технолог и инженер-конструктор, изучают не только профильные предметы, но и 3D-моделирование и особенности применения метода 3D-печати при создании авиационных двигателей.
Узнайте подробности об образовательном проекте «Крылья Ростеха».