Перспективы и проблемы использования аддитивных технологий в авиастроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы и проблемы использования аддитивных технологий в авиастроении

аддитивный инновационный наукоемкий авиационный

Калинина И.С., кандидат технических наук

ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург

Развитие авиационной промышленности в Российской Федерации и проектирование такой наукоемкой продукции, как авиационная техника, требует широкого комплекса исследований и разработок, направленных на создание и внедрение инновационных наукоемких продуктов и услуг, способных повлиять на физическую доступность авиационного транспорта, снижение себестоимости и повышение качества авиаперевозок. Продвижение перспективной отечественной техники на рынки авиационных перевозок обеспечивается конкурентоспособностью предложения, которое должно соответствовать требованиям, предъявляемым к авиатранспортной системе в целом и к каждому из трех её основных элементов в отдельности.

Обеспечение конкурентоспособности авиационной техники, в свою очередь, требует системных мер, затрагивающих все стадии её жизненного цикла: от маркетинговых исследований до реализации и эксплуатации. В рамках технологической платформы «Авиационная мобильность и авиационные технологии» [1] предлагается сформировать комплексы технологий, относящиеся к созданию и последующим фазам жизненного цикла (исследования, конструирование, производство, эксплуатация, утилизация) авиационной техники.

Одно из перспективных направлений в производстве изделий различного назначения, привлекающее внимание исследователей и производителей авиационного и оборонного сектора -- аддитивные технологии. Аддитивные технологии (англ. Additive Manufacturing) -- это послойное наращивание и синтез объекта по его объемной (3D) модели без использования станков с ЧПУ. Изобретателем первой коммерческой технологии быстрого прототипирования является Чарльз Халл, сконструировавший первый стереолитографический трехмерный принтер. Первый патент «Аппарат для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии» был зарегистрирован им 8 августа 1984 года в США.

В настоящий момент аддитивные технологии (или 3D-печать) широко используются в потребительском секторе и являются основой для многих стартапов -- компаний, созданных для поиска воспроизводимой и масштабируемой бизнес-модели (компании «3DPrintUK» (SLS-технология), «Sculpteo» (облачная система для 3D-печати), «Shapeways» (рынок товаров, созданных дизайнерами и произведенных с помощью 3D-печати)). В медицинской практике используются индивидуальные импланты, изготовленные с помощью объемного сканирования и аддитивных технологий (в стоматологии при имплантации нижней челюсти (компания «CRIQ», Квебек), имплантации аортального клапана (Гарвардский университет), реконструкции черепной коробки (Федеральный Сибирский научно-клинический центр ФМБА России)) [2].

Использование же аддитивных технологий и объемного сканирования на сегодняшний день востребовано и в области авиастроения, но в России развивается более медленными темпами, чем в странах Западной Европы и США. Тем не менее, положительный опыт изготовления отдельных изделий методами последовательного наслоения или спекания материала ложится в основу дальнейших исследований и разработок в этой сфере. Например, специалистами Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) методом аддитивных технологий из российской металлопорошковой композиции был изготовлен завихритель фронтового устройства камеры сгорания (КС) для двигателя ПД-14, предназначенного для перспективных российских среднемагистральных самолетов МС-21. Данный двигатель уже получил сертификат типа Росавиации и готов к эксплуатации.

Российское предприятие «ОДК-Сатурн», г. Рыбинск, внедрил единый цикл проектирования деталей под аддитивное производство, позволяющий сократить сроки разработки и внедрения в конструкторскую документацию новых конструкций деталей и узлов при разработке перспективных газотурбинных двигателей. Используется вышеупомянутая, разработанная совместно с ВИАМ металлопорошковая композиция жаропрочного кобальтового сплава российского производства для изготовления элементов камер сгорания газотурбинных двигателей большой мощности, что является важным шагом на пути импортозамещения и внедрения аддитивного производства в российское двигателестроение.

Американская компания «GE Aviation» использует аддитивные технологии для производства деталей авиадвигателя GE90 (например, корпус температурного датчика Т25 на входном устройстве компрессора), рисунок 2. Датчик изготовляется из кобальт-хромового мелкодисперсного порошка методом лазерного спекания. По словам производителей, с помощью 3D-технологий планируется изготавливать также топливные форсунки для двигателя GE9X нового самолета Boeing 777X, отказавшись от традиционной технологии изготовления деталей литьем [4, 5].

Помимо применения аддитивных технологий в производстве ответственных деталей двигателей и силовых конструкций, 3D-печать широко используется для изготовления деталей салона пассажирских самолетов. Например, компания «Emirates» совместно с «UUDS» разработала и изготовила на 3D-принтере решетки вентиляционных отверстий, которые также были созданы с использованием селективного лазерного спекания, что позволяет получить более высокую прочность и более низкий вес деталей, что способствует сокращению расхода топлива и затрат авиакомпании. [6]

Аддитивные технологии позволяют получать более легкие и прочные детали за более короткий промежуток времени, чем при традиционных способах изготовления деталей, а иногда и заменять одной деталью целый узел.

9 ноября 2018 года подписано соглашение о стратегическом сотрудничестве между ВИАМ и пекинской компанией «AVIC Manufacturing Technology Institute» (AVIC MTI) по направлениям различных сплавов, металлопорошковых композиций жаропрочных сплавов, а также оборудования для аддитивных технологий [7].

В Перми на ОАО «Авиадвигатель» производится восстановление гребешков бандажных полок лопаток ГТД по методу «direct deposition» (прямое нанесение металла) после оцифровки восстанавливаемого места лопатки с помощью 3D-сканера.

Несмотря на достигнутые успехи, существуют и актуальные проблемы при внедрении аддитивных технологий в производство изделий авиационной и ракетно-космической техники:

- получение качественных российских металлопорошковых композиций;

- отработка режимов их использования и окончательное уточнение их состава;

- сертификация процесса производства на основе аддитивных технологий;

- подготовка специалистов в области материалов, проектирования и технологии аддитивного производства.

Решение такого спектра проблем возможно только с помощью комплексных мер, касающихся развития поддержки инжиниринговых центров, подготовки и переподготовки кадров, разработки нормативной документации, регламентирующей требования к материалу, условиям производства, самим деталям и оборудованию. Возможностью вывода российской продукции, произведенной с помощью 3D-технологий, на международный рынок является сотрудничество с международными комитетами по аддитивным технологиям, например, с GARPA -- Global Alliance of Rapid Prototyping Associations, (в него входит 22 национальных альянса по всему миру), имеющим свои нормативные документы и совершающим обмен результатами исследований, 3D-моделями между альянсами в рамках сотрудничества [8].

На сегодняшний момент решение этих проблем частично предусмотрено программой импортозамещения, например, компания «UMATEX» прошла в Объединенной авиастроительной корпорации тестирование своих композитных материалов для самолетов и рассчитывает в ближайшие годы пройти их квалификацию, чтобы начать промышленное импортозамещающее производство этих материалов.