В Комсомольске-на-Амуре применили новые технологии для производства сложных деталей
На Комсомольском-на-Амуре авиационном заводе (КнААЗ) им. Ю. А. Гагарина внедряются самые современные технологии. В обозримом будущем на самолеты будут устанавливать детали, выращенные с помощью суперсовременных аддитивных технологий.
Аддитивное производство – это создание трехмерного объекта на основе CAD-модели (CAD – автоматизированное проектирование) или цифровой 3D-модели. В его основе могут лежать совершенно различные процессы, в которых материалы наносятся, соединяются или затвердевают под контролем компьютера. При этом материалы обычно добавляются слой за слоем.
Технологии трехмерной печати, появившиеся еще в 1980-х годах, считались тогда годными лишь для изготовления функциональных или эстетических прототипов. Для таких процессов изначально использовался термин «быстрое прототипирование». Но в настоящее время точность, повторяемость и разнообразие материалов для 3D-печати выросли настолько, что некоторые техпроцессы 3D-печати стали массово использоваться в промышленном производстве. Поэтому термин трехмерная печать сменился теперь на аддитивное производство: английское слово additive имеет одно из значений «добавка, вводимая в процессе изготовления чего-либо».
Повышение технологичности
Отдел главного металлурга КнААЗ хорошо известен своим высоким научно-исследовательским потенциалом. Не один десяток передовых разработок выполнен и внедрен в производство в содружестве с ведущими научно-исследовательскими институтами страны. Одна из таких работ направлена на повышение технологичности теплосъемных панелей на изделии Су-57.
Работа была начата при освоении первых серийных изделий Су-57, тогда на заводе впервые появилась необходимость освоить изготовление абсолютно новой для КнААЗ им. Ю. А. Гагарина детали – теплосъемной панели. Деталь с виду простая – подумаешь, небольшая панель с рядом отверстий. Но это только на первый взгляд. На самом деле процесс ее изготовления чрезвычайно сложен. В самом приближенном пересказе – две медные пластины паяют в печи при температуре 800 °С, при этом между ними должны оставаться выфрезерованные полости определенной формы. Готовая деталь должна быть абсолютно герметичной не только по краям, но и по крепежным отверстиям и выдерживать значительные внешние воздействия – давление, вибрацию, перепады температур. В общем, настоящая головоломка.
Головоломка с деталью
При изготовлении первых деталей не удавалось добиться герметичности панелей. Специалисты бюро сварки отдела главного металлурга под руководством Сергея Мазура (он был заместителем главного металлурга по сварке – главным сварщиком предприятия до 2020 года) перепробовали различные варианты изготовления. Все равно площадь паяного шва оставалась слишком большой, что требовало значительной ручной доработки. Поверхности панелей вручную притирали друг к другу, чтобы обеспечить минимальный зазор, подпаивали горелкой, чтобы добиться полной герметичности. При такой технологии крайне сложно было обеспечить серийное изготовление детали.
Важным этапом на пути к решению задачи стала замена стандартного припоя на гальваническое покрытие поверхности детали серебром. Это несколько улучшило состояние дел, однако места негерметичности все же периодически возникали.
Без внешних изменений
Инженер-технолог 1-й категории Олег Щекатуров с коллегами провели глубокий анализ технологичности конструкции детали под пайку. В результате было разработано и подано кайдзен-предложение по изменению конструкции панели. Путем внутренней перекомпоновки удалось на 70 % сократить площадь паяного шва – без изменения внешних контуров, веса и габаритов детали.
Изготовили опытный образец панели, испытали на заводе, составили и отправили технический отчет в ОКБ Сухого. Московские специалисты отнеслись к разработке заводчан со всей серьезностью – тщательно изучили документацию, назначили 10-кратные испытания (вместо обычных однократных), результаты проверялись комиссионно. Итог – новая конструкция получила одобрение в ОКБ Сухого.
«Это было очень непросто, – рассказывает заместитель главного металлурга по сварке – главный сварщик КнААЗ им. Ю. А. Гагарина Анатолий Тараканов. – Несколько лет работы, несколько вариантов конструкции детали, участие специалистов не только отдела главного металлурга, но и пяти различных цехов. Итог – в конце прошлого года была разработана и запущена в производство новая конструкторская документация, изготовлены первые серийные детали на самолет».
Выращивание деталей из порошка
Получены положительные результаты: снижена общая трудоемкость изготовления, сокращен расход серебра на пайку деталей. И самое главное – герметичность деталей обеспечивается после первой пайки, без всяких доработок. Большой личный вклад в организацию цехов на отработку новой конструкции панелей внес лично первый заместитель директора по производству Сергей Огарков.
Но заводские металлурги не привыкли ограничиваться достигнутым, они видят новые цели и идут к ним. Сейчас они ставят перед собой следующую задачу на грани фантастики: изготовление деталей с применением аддитивных технологий, селективного лазерного сплавления из металлопорошковой композиции. Проще говоря, выращивание деталей из металлического порошка. На базе Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) изготовлены опытные заготовки деталей. На КнААЗ им. Ю. А. Гагарина они испытаны. Начальный этап работ показал положительную перспективу внедрения технологии послойного сплавления бронзового порошка, в результате которой все детали выращиваются сразу – за одну загрузку оборудования. В настоящее время ведутся работы по заключению договора на научно-исследовательские работы. Следующим этапом станет разработка и выпуск нормативной документации ВИАМом.
ВИАМовские инновации
ВИАМ (входит в состав национального исследовательского центра «Курчатовский институт») решает в настоящее время научные и технические задачи в области порошковой металлургии, разработки новых материалов для аддитивного производства. Кроме того, институт занимается созданием комплекса цифрового производства, включающего обработку и подготовку 3D-моделей, топологическую оптимизацию, корректировку 3D-моделей с учетом компенсации особенностей процесса синтеза, генерацию технологических поддерживающих структур, отработку параметров и моделирование на микро-, мезо- и макроуровнях процесса синтеза, термической и газостатической обработки, технологий постобработки. Также в ВИАМе решаются задачи в области металлургии жаропрочных деформируемых сплавов, сталей и специальных сплавов, в том числе в режиме замкнутого цикла изготовления расходуемой заготовки для получения порошковых материалов.
В части порошковых материалов ВИАМ ведет разработку технологий и освоение производства металлопорошковых композиций (МПК) сплавов на основе железа, никеля, алюминия и кобальта на тигельном промышленном атомайзере. Кроме того, ведется разработка технологий изготовления металлопорошковых композиций высокотемпературных реактивных сплавов на основе титана, интерметаллида титана и силицида ниобия на бестигельном атомайзере. Среди задач в части порошковых материалов также стоит отработка технологического процесса классификации получаемых в рамках серийного производства порошков и освоение высокопроизводительного оборудования для рассева и газодинамической сепарации.
В области аддитивных технологий ВИАМ разрабатывает технологии изготовления заготовок деталей методом селективного лазерного сплавления из МПК сплавов на никелевой, кобальтовой, железной, алюминиевой и титановой основах. Кроме того, создаются технологии изготовления заготовок деталей методом электронно-лучевого сплавления из МПК сплавов на основе интерметаллида никеля и титана. К этой же области относятся работы по разработке технологий изготовления крупногабаритных заготовок деталей методом прямого лазерного выращивания из МПК сплавов на основе никеля, кобальта, титана, алюминия и меди.
В части металлургии деформируемых сплавов, сталей и специальных сплавов ВИАМом осуществляется разработка технологий выплавки и получения сплавов специального назначения на основе железа, никеля, кобальта и медно-никелевой основе. Кроме того, ведется научно-техническое сопровождение и авторский контроль производства сплавов на металлургических заводах отрасли, производство партий специальных сплавов по заказам предприятий отрасли (слитков, литых шихтовых рафинированных заготовок, прутков, стандартных образцов). Институт совершенствует технологии выплавки сплавов (снижение содержания газов, вредных примесей, неметаллических включений), а также решает задачи по импортозамещению зарубежной продукции с использованием современных методов исследования и оборудования.
Роль ВИАМ в развитии аддитивных технологий и материалов в ближайшие годы связана с выполнением работ по разработке не только материалов, но и готовой технологической цепочки – от выбора и выплавки исходных материалов и распыления порошков до отработки технологий синтеза, термической обработки и обработки поверхности под конкретные задачи КБ и заводов, а также непосредственно под задачи серийного производства.
Аддитивные стандарты
В России уже появились и первые национальные стандарты в области аддитивных технологий. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) утвердило ещё в мае 2017 года первые два национальных стандарта в области аддитивных технологий. Стандарты были разработаны в рамках Технического комитета по стандартизации «Аддитивные технологии», созданного на базе ВИАМ совместно с компанией «Наука и инновации» (входит в госкорпорацию «Росатом»). В частности, стандарт «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения» устанавливает базовые термины и определения и служит основой для понимания фундаментальных принципов аддитивного производства.
Основная цель разработки стандарта «Материалы для аддитивных технологических процессов. Методы контроля и испытаний» – установление методов контроля и испытаний сырья в виде металлических порошковых композиций, используемых при аддитивном производстве.
Как отметили в ВИАМ, «создание системы национальных стандартов – необходимое условие широкого внедрения аддитивных технологий в промышленность России». Стандарты, разработанные в рамках ТК 182 «Аддитивные технологии», являются важнейшей составляющей этого процесса.
Отметим, технический комитет по стандартизации «Аддитивные технологии» (ТК 182) является формой сотрудничества заинтересованных представителей федеральных органов исполнительной власти, госкорпорации по атомной энергии «Росатом», иных государственных корпораций, органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и муниципальных образований, научных организаций, в том числе осуществляющих деятельность в сфере стандартизации, исполнителей, общественных объединений потребителей. ТК 182 был создан приказом Росстандарта № 1013 от 1 сентября 2015 года. В его состав входит 58 организаций. Секретариат ТК сформирован на базе ВИАМ.
Работа в рамках ТК 182 продолжается. Например, в декабре 2022 года в секретариат комитета поступили первые редакции проектов новых национальных стандартов в области аддитивных технологий, среди которых общие технические условия для изделий из алюминиевых сплавов, изготовленных методом селективного лазерного сплавления, для изделий из титановых сплавов, изготовленных методом электронно-лучевой наплавки проволоки. Есть стандарты с общими положениями о центрах аддитивных технологий.
Текст: Марина Левина (КнААЗ им. Ю. А. Гагарина); ВИАМ