Руководитель Центра аддитивных технологий ОДК Ростеха рассказал о применении 3D-печати в авиационном двигателестроении

Если раньше сложные детали состояли из нескольких элементов, соединенных между собой, что приводило к увеличению их массы, а процесс изготовления включал множество этапов, то сегодня на предприятиях авиационного двигателестроения детали с внутренними полостями и каналами делают с помощью 3D-принтеров. 

О применении аддитивных технологий в авиационном двигателестроении изданию Hi-Tech Mail рассказал генеральный директор Центра аддитивных технологий Объединенной двигателестроительной корпорации Ростеха Алексей Мазалов. 

Современный газотурбинный двигатель — одно из сложнейших изделий, созданных человеком. Конструкция, в которой в среднем десять тысяч деталей, должна выдерживать температуры до 1700°С, огромные нагрузки, вибрации и давление. Стран, способных создавать такие изделия, начиная с проектирования и заканчивая серийным производством и сервисным обслуживанием, всего пять, включая Россию. 

Еще несколько лет назад выпуск любой детали авиационного двигателя занимал немало времени: сначала создание заготовки, затем механическая обработка, контроль качества, и только после этого изделие поступало на сборку. При этом сложные детали с внутренними каналами или ячеистыми структурами невозможно было сделать единой конструкцией. Для них нередко изготавливались несколько элементов, которые затем соединяли с помощью крепежных элементов или сварки. Это увеличивало массу и снижало ресурс деталей. 

Кроме того, в двигателестроении большая часть деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов, которые способны выдерживать высокие нагрузки и температуры. При производстве с помощью традиционных методов — штампования, резания, сварки — необходима оснастка. Она дорогостоящая, а на ее проектирование и изготовление уходит немало времени. Для серийного производства это не так критично, как при разработке новых изделий, но на стадии опытного производства время и затраты могут быть достаточно ощутимы.

Все это напрямую ведет к повышению себестоимости двигателей и стоимости обслуживания, что в итоге сказывается на цене билетов, поэтому инженеры постоянно ищут способы сделать детали легче, прочнее и технологичнее.

На предприятиях Объединенной двигателестроительной корпорации Ростеха эти задачи решают с помощью аддитивного производства. Выращенные детали уже серийно применяются на двигателях ПД-14 для среднемагистрального МС-21−310 и ПД-8 для ближнемагистрального «Суперджета».

Выращенные элементы также используются в двигателе-демонстраторе технологий ПД-35, который станет основой для линейки силовых установок тягой от двадцати четырех до пятидесяти тонн. Такие двигатели предназначены для дальнемагистральных самолетов.

Кроме того, 3D-печатные детали применяются в наземных двигателях для энергетики и транспортировки газа, например в первой отечественной турбине большой мощности ГТД-110М.

Инженер проектирует деталь сразу под аддитивное производство — рассчитывает ее форму, внутреннюю структуру, распределение нагрузок, поведение материала при экстремальных температурах, оптимальный метод изготовления. Здесь нужно уметь подходить комплексно и даже творчески, именно поэтому различные методы аддитивных технологий все чаще притягивают людей, которые хотят создавать новое за более короткое время без потери качества.

В ОДК действует Центр аддитивных технологий, который непосредственно специализируется на развитии 3D-печати. ЦАТ решает задачи по опытному и серийному изготовлению заготовок деталей газотурбинных двигателей ОДК.

Например, при перепроектировании картера новейшего авиадвигателя ПД-8 под аддитивное производство его массу снизили на сорок процентов. Несколько отдельных элементов объединили в одну монолитную конструкцию. Объем механической обработки уменьшился на восемьдесят процентов, исключена дорогостоящая оснастка.

Для разработчиков это означает меньше деталей и соединений, а следовательно и ниже риск выхода детали из строя. Снижение веса отдельных деталей уменьшает общую массу авиационного двигателя, а значит самолет с такими силовыми установками сможет перевести большее количество пассажиров или грузов. Главное же преимущество — более быстрый и менее затратный цикл разработки и производства.

Выращенные детали уже стоят в двигателях ПД-8. На этапе разработки ПД-8 под аддитивное производство спроектировали более двухсот двадцати деталей, после всех испытаний и проверок в серийную конструкцию вошли более десяти наиболее ответственных элементов. Остальные ждут своего часа или станут частью задела для будущих разработок.

Другой пример — малоэмиссионная камера сгорания ГТД-110М с 3D-печатными завихрителями, закручивающими воздушный поток для стабилизации горения. Специалистам удалось агрегировать тринадцать элементов в одну деталь со снижением массы на семь с половиной килограмм и уменьшением расхода материала. Эта деталь камеры сгорания имеет сложную геометрию, включая развитые внутренние поверхности и каналы, и серийно изготавливается из никелевых сплавов с помощью 3D-печати.

При создании деталей двигателей в основном применяют два метода. Первый — селективное лазерное сплавление металлопорошковых композиций (SLM). Металлический порошок подается в рабочую камеру с инертным газом, заполняя ее, а лазерный луч расплавляет порошок по заданному контуру, создавая слой. Затем платформа опускается, наносится следующая порция порошка, и цикл повторяется пока не будет изготовлена вся деталь со всеми внутренними и внешними элементами. Так изготавливают сложные детали с высокой геометрической точностью и минимально необходимой финишной обработкой.

Второй метод — прямое лазерное выращивание. Металлический порошок или проволока подается непосредственно в зону лазерного луча. Это позволяет печатать с высокой скоростью, при этом толщина слоя может быть значительно выше, чем у первого метода. Прямое лазерное выращивание часто используется для изготовления крупногабаритных конструкций, а также для ремонта, например восстановления изношенных лопаток турбин. С его помощью также создают сложные изделия с тонкими стенками, выдерживающими высокие нагрузки.

Обе технологии дают свободу внутренней геометрии. Внутренние каналы охлаждения сложного профиля, решетчатые структуры, монолитные узлы из многих прежде отдельных деталей — все это становится доступным конструктору и технологу на предприятиях ОДК. Такие технологии меняют сам подход к созданию авиационных двигателей, открывают новые возможности. Раньше инженер часто думал: «Сможем ли мы это изготовить?» Теперь вопрос все чаще звучит иначе: «Какой способ 3D-печати выбрать?»

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru