В небо на порошках

Лопатки, камера сгорания и экология — как 3D-печать создает самолеты будущего

Генеральный директор Всероссийского института авиационных материалов, академик РАН Евгений Каблов. Фото: Марина Лысцева/ТАСС

3D-принтинг относится к технологиям, которые, едва выйдя из лабораторий, сразу нашли применение в реальной индустрии. При помощи трехмерной печати уже сегодня создают, например, детали самолетов, причем и в России тоже в рамках ФЦП «Исследования и разработки». «Чердак» рассказывает, как 3D-принтинг радикально изменил промышленность.

О том, как создаются трехмерные детали для промышленного использования и с какими проблемами сталкиваются отечественные производители, «Чердаку» рассказал Евгений Каблов, академик РАН, профессор, генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), где в рамках ФЦП «Исследования и разработки» Министерства образования и науки (проект 14.626.21.0001 «Исследования и разработка экспериментальных аддитивных технологий для изготовления и ремонта сложнопрофильных деталей газотурбинных двигателей (ГТД) с использованием металлических порошков жаропрочного сплава на основе никеля») создано производство новых деталей для промышленности на основе порошковых композиций.

3D-принтер — устройство, которое позволяет получать объемные фигуры точно так же, как обычный принтер получает плоские изображения на бумаге, — в последние годы страшно популярен как среди обычных граждан, так и среди ученых. Технологии развиваются, существует множество методов создания таких объемных фигур, и все они объединяются одним понятием — аддитивные технологии, они же технологии послойного синтеза.

Такое технологии позволяют создавать детали очень сложной формы из различных материалов, что во многих случаях позволяет отказаться от металлорежущего и кузнечно-прессового оборудования. Суть производства с использованием аддитивных технологий — не в «вычитании» материала из объекта, как в традиционных способах, а, наоборот, в последовательном «сложении» слоев материала. Такой способ позволяет использовать для производства детали ровно то количество материала, которое необходимо. Выход готовой годной продукции при использовании аддитивных технологий составляет 100%, тогда как при использовании традиционных способов выход достигает всего 40%.

Генеральный директор Всероссийского института авиационных материалов, академик РАН Евгений Каблов. Фото: Марина Лысцева/ТАСС


Для создания готовой детали нужно иметь три основных компонента: металло-порошковые композиции, машины для производства деталей по методу аддитивных технологий и машины для производства порошков. Процесс изготовления детали начинается с построения компьютерной модели изделия, нарезанной на тонкие слои-сечения. Нужная деталь в буквальном смысле послойно выращивается в соответствии с компьютерной моделью. Затем изделие подвергается термической и газостатической обработке для минимизации внутренних дефектов и обеспечения оптимального комплекса механических свойств. 3D-принтинг гораздо быстрее привычных технологий: скажем, если какую-то деталь, изготовленную традиционным способом — литейным производством — можно получить за 60 дней, то аддитивные технологии позволяют создать такую же деталь всего за пять.

Несмотря на то что в последнее время аддитивные технологии рассматриваются как нечто новое, корнями они уходят в такие области, как картография, фотоскульптура и стереолитография. Сегодня на мировом рынке аддитивных технологий лидирует США: сейчас там 70% деталей, которые выпускаются по аддитивным технологиям, делаются как модели-прототипы, а 30% как «боевые» детали — для Boeing, General Electric и других компаний. Американцы поставили задачу к 2020 году изменить это соотношение так, чтобы 80% деталей были «боевыми», а оставшиеся 20% — моделями и прототипами.

Чтобы реализовать в нашей стране такого рода проекты, предприняты попытки создания консорциума, который сможет объединить усилия нескольких научных организаций, производственных предприятий и бизнеса. Такая кооперация объединила ВИАМ с Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого и Институтом проблем лазерных и информационных технологий РАН: вместе они разрабатывают аддитивные технологии для изготовления и ремонта деталей газотурбинных двигателей. «Задача нашего института сводится к тому, что мы разрабатываем и поставляем порошковую композицию, которую никто не производит. Но она отличается качеством, отвечает определенным требованиям по химическому составу, по размеру гранул, имеет определенные соотношения между крупной и мелкой фракцией. В зависимости от самой детали и материала мы работаем над тем, какая будет порошковая композиция. Кроме того, мы разрабатываем стратегию, как их штриховать лазером, — от того, насколько качественно она сделана, зависит количество дефектов в готовой детали», — объясняет Евгений Каблов.

Ученый рассказал, что специалисты института впервые в России изготовили по аддитивным технологиям с применением отечественной металлопорошковой композиции деталь перспективного авиационного двигателя ПД-14 (завихритель «фронтового» устройства камеры сгорания). Этот двигатель делается для нового проекта российского ближне-среднемагистрального пассажирского самолета — «Иркут МС-21». Это довольно «хитрая» по форме деталь, и получать ее традиционным способом непросто. Использование аддитивных технологий позволяет решить эту задачу намного эффективнее.

«Этот двигатель — фронтовое устройство, которое обеспечивает равномерность горения и влияет на выбросы в окружающую среду. Чтобы обеспечить качественное горение, надо иметь определенный коэффициент распределения. При литье этот коэффициент был 0,19—0,21, при оптимальном значении 0,2. И при традиционном способе конструктор должен был распределять завихрители по значениям коэффициента по всему фронтовому устройству. А сейчас они все как братья-близнецы имеют коэффициент 0,2, и такое распределение не требуется» — подчеркивает Каблов.

Проблема сегодняшних производителей в том, что многие отечественные предприятия закупили установки, требующие определенных порошковых композиций. В условиях санкций эти предприятия не могут закупить нужные порошки. Поэтому специалисты ВИАМ заняты разработкой технологий порошков и металлопорошковых композиций, которые позволят избавиться от зависимости от импортных поставщиков. «У нас сейчас очень много масштабных и серьезных задач, связанных с санкциями, ограничениями, вопросами импортозамещения. В основном мы делаем все на собственных разработках, опираясь только на собственные силы и не надеясь, что кто-то придет и что-то нам расскажет», — рассказывает Каблов.

«Я считаю, что заслуга руководства Министерства образования и науки в том, что они предложили такую схему: допустили к участию в конкурсах по этой программе все научные организации, которые объединены одной целью, задачей. Принцип консорциума, который организован в этой программе, очень эффективный и правильный. И я думаю, что по этому направлению надо работать всем. И важно, что я сейчас одновременно как директор государственного научного центра, являюсь президентом ассоциации ГНЦ, их у нас порядка 48 в нас в стране, и они дают очень большой объём реализации продукции. Комплекс, который состоит из науки и производства, позволяет нам выходить на прибыль до 400 млн рублей в год на 1900 человек», - говорит директор ВИАМ.
Теги:

Читать еще на Чердаке: