В России создали технологию, которая позволяет изготавливать авиационные электродвигатели с помощью 3D-принтера. Разработка в разы сокращает трудозатраты и сроки производства, при этом двигатель остается мощным и компактным. Он подойдет для дронов, небольших самолетов, электромобильной техники. Прототип агрегата планируют напечатать уже в этом году. Однако аддитивные технологии дороги, поэтому при их внедрении важно учитывать экономическую целесообразность, отметили эксперты.
Как печатать на принтере сложные детали
Ученые-инженеры из Московского авиационного института впервые в России предложили технологию изготовления большинства деталей электродвигателя для малой авиации посредством 3D-печати. Разработка позволит сократить затраты труда и времени на изготовление деталей и при этом сохранить качество изделий, сопоставимое с традиционными способами производства.
Как рассказали разработчики, благодаря высокой мощности при относительно компактных размерах напечатанные силовые агрегаты можно будет применять на тяжелых беспилотниках, небольших самолетах, электромобилях и другой подобной технике. На данный момент специалисты полностью подготовили конструкторскую документацию на разработку. Сборка образца и его испытания пройдут в конце года.
— Предполагается, что по технологии 3D-печати будет изготовлен синхронный электродвигатель, в котором магнитный поток направлен вдоль оси вращения, а ротор и статор имеют форму дисков. За счет этого длина агрегата будет меньше, чем в стандартных вариантах со схожими параметрами с радиальным магнитным потоком. Благодаря небольшим габаритам новый двигатель подойдет для воздушных судов с ограниченным внутренним объемом. Его удобно интегрировать с другими системами, — рассказал «Известиям» один из разработчиков, аспирант кафедры «Электроэнергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ Илья Качанов.
Согласно проекту, в качестве источников магнитного поля на роторе используют редкоземельные постоянные магниты. По расчетам, номинальная мощность двигателя составит 50 кВт при частоте вращения 3000 об/мин, а пиковая кратковременная мощность — до 80 кВт.
По словам специалиста, с помощью аддитивных технологий, в частности, будут изготовлены элементы корпуса силового агрегата и магнитопровод статора. Это один из основных элементов системы, который участвует в преобразовании электрической энергии в механическую. Для его изготовления используют сплав с повышенным содержанием кремния.
— Деталь обычно вырубают из шихтованной стали. Так называют набор из множества тонких листов, которые склеены, но электрически изолированы друг от друга. Это нужно, чтобы при работе двигателя избежать перегрева магнитопровода. Технология МАИ дает возможность печатать деталь послойно, имитируя шихтовку. За рубежом же сначала печатают листы, затем их склеивают, после чего производят вырубку детали. Новый метод позволяет изготовить весь магнитопровод сразу, — пояснил Илья Качанов.
Какие самолеты поднимет в небо напечатанный двигатель
Изделие, изготовленное методом 3D-печати, — это экспериментальный образец для отработки технологий, сообщил разработчик. По его словам, масса летательного аппарата, который он сможет поднимать, составляет 250–300 кг, а при необходимости увеличения грузоподъемности можно использовать несколько силовых агрегатов. Двигатели с осевым потоком в такой конфигурации удобно располагать последовательно друг за другом.
— Магнитные свойства образцов, полученных при 3D-печати, несколько уступают прокатной стали. Это связано с наличием остаточной пористости, микроструктурной неоднородностью и другими дефектами. В связи с этим представляет научный и практический интерес поиск оптимальных параметров и режимов постобработки с целью достижения показателей, равных традиционным сталям, — отметил Илья Качанов.
3D-печать привлекает тем, что позволяет выпускать детали любой формы и внутренней структуры и объединять несколько конструкций в единый узел, что сокращает количество сборочных операций. Также метод дает возможность обойтись без дорогостоящей оснастки, что снижает стоимость и время изготовления деталей, добавил он.
— Аддитивные технологии дороги из-за штучного производства и высокой стоимости материалов и оборудования. Однако они предпочтительны при изготовлении деталей сложной конфигурации. В авиадвигателестроении за 3D-печатью закрепилась своя ниша. Она расширяется по мере развития технологий, — рассказал «Известиям» исполнительный директор агентства «АвиаПорт» Олег Пантелеев.
Детали электродвигателя испытывают меньшие нагрузки, чем, например, элементы горячей части газотурбинного двигателя, поэтому для таких изделий достижение приемлемых прочностных характеристик с помощью 3D-печати вполне реально. При этом ключевым ограничением остается экономика процесса: он наиболее эффективен в опытных производствах, где важно быстро изготовить и протестировать деталь, а также при выпуске небольших серий продукции, уточнил он.
— В числе успешных примеров применения аддитивных технологий — завихритель камеры сгорания на серийном двигателе ПД-14 для МС-21. Это первая сертифицированная деталь горячей части силовой установки в России, напечатанная на 3D-принтере, и она летает. Для перспективного ПД-35 аналогичным образом изготовили больше 2 тыс. деталей. Сложные элементы нового ракетного двигателя НК-3 тоже будут печатать, — сообщил инженер кафедры лазерных и аддитивных технологий Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева-КАИ Сергей Никифоров.
В числе сложностей при использовании 3D-печати он назвал контроль качества порошков и их повторного использования. Другая проблема — перегрев магнитопроводов и общая тепловая стабильность. Дополнительным барьером остается отсутствие единых нормативов для комплектующих, однако эти ограничения постепенно снимаются: так, с 1 июля 2026 года должны вступить в силу три новых ГОСТа, регулирующих требования к металлическим порошкам и проволоке для авиационной и космической отраслей.
— Технология МАИ имеет высокую применимость для отраслей, где критичны требования к массе и сложности геометрии. Возможность послойной печати магнитопровода связано с решением ключевой проблемы аддитивного производства электродвигателей — высоких потерь на вихревые токи, которые свойственны напечатанному массиву металла. Имитация шихтованной структуры позволяет использовать преимущества метода при создании сложных форм без потери электромагнитной эффективности, — отметил эксперт НТИ по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.
По его словам, это открывает путь к принципиально новым конструкциям и позволит гибко и быстро производить малые партии специализированных двигателей для беспилотников, аэротакси и электромобилей.
Поможет ли 3D-печать ускорить производство российских беспилотников и электромобилей?