Одна из задач консорциума во главе с ВИАМ (куда также входят Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, ОАО "Авиадвигатель" и Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук — ИПЛИТ РАН) — это создание технологий для аддитивного производства и ремонта деталей авиационных газотурбинных двигателей. То есть "выращивание" методом послойного селективного лазерного сплавления сложнопрофильных деталей горячего тракта газотурбинного двигателя: деталей камеры сгорания, сопловых и рабочих лопаток турбин высокого и низкого давления и теплозащитной панели методом селективного лазерного сплавления металлических порошков.
Кроме того, для решения этой задачи параллельно необходимо научиться получать сами исходные порошки заданной дисперсности из жаропрочных и жаростойких сплавов на основе никеля. При этом необходимо добиться, чтобы металлопорошковые композиции обеспечивали при послойном нанесении максимальную плотность упаковки гранул. А для снижения пористости и повышения однородности структуры нужно также разработать технологии термической и газостатической обработок материала, синтезированного из металлического порошка.
На первом этапе в ИПЛИТ РАН уже разработали электронные модели деталей горячего тракта для их последующей "заливки" в программу, генерирующую слои и поддерживающие элементы для построения. Специалисты ФГУП "ВИАМ" тем временем получили лабораторные партии порошков выбранных марок и совместно с СПбПУ провели исследования их микроструктуры и технологических характеристик, что в будущем поможет сформировать требования к порошкам для аддитивных технологий.
Группа, работающая над созданием системы компьютерного проектирования и инжиринга для аддитивного производства композитных конструкций, поставила перед собой амбициозную задачу: создать оптимальную конструкцию из оптимального материала с помощью оптимальных технологий. В консорциум, возглавляемый СПбПУ, входят Сколтех, Томский политехнический университет, МИС и С, Институт физики прочности и материаловедения РАН, Институт проблем машиноведения РАН. Индустриальный партнер консорциума — Объединенная ракетно-космическая корпорация.
Чтобы создать оптимальную конструкцию, инженеры уже на этапе проектирования должны учесть требования жесткости, устойчивости, прочности (статической, циклической, вибрационной, динамической и т.п.), обеспечить долговечность конструкции. Причем необходимо просчитать все возможные вариации эксплуатационных режимов.
При разработке и создании новой промышленной продукции приходится тестировать много различных вариантов опытных образцов. Изготовление литейных деталей в этом процессе — одна из наиболее дорогостоящих и трудоемких частей проекта: необходимо изменять конструкции, корректировать технологическую оснастку. Причем эта оснастка по сути одноразовая — в ходе итераций происходит существенное изменение конструкции изделия, и подгонка предыдущего варианта изделия под новый либо чересчур трудоемка, либо вообще невозможна.
Важный момент при изготовлении деталей ракетно-космической техники — добиться снижения весовых характеристик конструкций. Для этого применяются композиционные материалы (композиты), сложность которых заключается в том, что, во-первых, они состоят из разных по физико-механическим свойствам компонентов (волокна, матрица и т.д.), а во-вторых, для них характерны высокие удельные жесткостные и прочностные характеристики, усталостные характеристики и др.
Для начала разработчики сосредоточились на параметрах, которые позволят проектировать, а затем с помощью аддитивных технологий изготавливать элементы ракетно-космической техники. Эти параметры таковы: плотность – не более 1,5 г/см3, теплопроводность в направлении оси армирования – не менее 1,5 Вт/мК, коэффициент линейного теплового расширения в направлении оси армирования – не более 2,5∙10-5, разрушающие напряжения при растяжении в направлении оси армирования – не менее 250 МПа, разрушающие напряжения при сжатии в направлении оси армирования – не менее 200 МПа, разрушающее напряжение при поперечном изгибе – не менее 25 МПа, модуль упругости при растяжении в направлении оси армирования – не менее 30 ГПа, модуль упругости при поперечном изгибе – не менее 15 ГПа.
При этом конструкция должна сохранять работоспособность в широчайших диапазонах: температурный диапазон эксплуатации – от -120 °С до +120 °С, вакуум – 10-13 мм рт. ст., диапазон частот синусоидальных и случайных вибраций – от 5 до 2500 Гц.
Классический подход к оптимизации в данном случае не годится, поскольку оптимальная микроструктура композитов может быть определена лишь на основе построения полномасштабных математических моделей на микро-, мезо- и макроуровнях. В своих исследованиях группа применяет основной численный метод решения нестационарных нелинейных 3D-уравнений в частных производных — метод конечных элементов. Причем, и это принципиально важно, он позволяет решать задачи с моделями, содержащими миллионы и десятки миллионов степеней свободы, необходимых для обеспечения высокого уровня адекватности математических моделей реальным композиционным материалам, физико-механическим и технологическим процессам, реальным промышленным конструкциям.
В 3D-задачах оптимизации механики деформируемого твердого тела, сформулированных для реальных конструкций и описываемых уравнениями в частных производных, целевой функцией, как правило, выступает вес конструкции (критерий — минимизация веса), а переменные проектирования (их десятки или сотни) — геометрические характеристики конструкции (форма, размеры и т.д.).
Для аддитивного изготовления композиционных материалов был выбран метод послойного наплавления и разработана конструкция экструдера, обеспечивающая непосредственное "смешивание" волокна и матрицы в экструдере.
Полученный на первом этапе двухкомпонентный композиционный материал состоит из ABS-пластика, армированного непрерывными углеволокнами марки Toray T300 вдоль одного направления. Высоких механических характеристик образцов удалось достичь за счет высокого уровня адгезии полимерной матрицы и армирующего углеволокна (для этого производится специальная химическая обработка углеволокон и исключается прямой контакт между ними, приводящий к их взаимному контактному проскальзыванию под нагрузкой) и повышения прочностных свойств полимерной матрицы путем введения дисперсных частиц.
Экспериментальные образцы показали стойкость к использованным маслам, спирту и бензину. Дефекты типа расслоения и непроклеи, а также дефекты поверхности и неоднородности микроструктуры идентифицировались и оценивались методом лазерной допплеровской виброметрии. А конечно-элементные исследования микро- и макронапряжений и нелинейного деформирования с прогрессивным накоплением повреждений и закритическим деформированием, вплоть до разрушения образцов, были проведены на основе математических 3D-моделей.
Руководитель проекта, начальник лаборатории ВИАМ, кандидат технических наук Александр Евгенов очерчивает круг проблем, с которыми сталкиваются исследователи. Прежде всего, они касаются 3D-сектора в целом: "В настоящее время в России широкое освоение аддитивных технологий сдерживается следующими проблемами: отсутствием собственного промышленного производства порошков сплавов отечественных марок (сферической формы, высокой чистоты по газовым примесям), отсутствием порядка квалификации синтезированных материалов и сертификации аддитивных установок. Зарубежные порошки неприменимы в отраслях, связанных с обороноспособностью нашей страны, кроме того, из- за санкций часть порошковых материалов зарубежного производства уже запрещена к поставке в Россию"1.
Научный руководитель работы, проректор по перспективным проектам СПбПУ, профессор Алексей Боровков: "Аддитивные технологии в сочетании с композитами, пространственно-армированными много направленными непрерывными высокопрочными и высокомодульными волокнами — это новое научное направление, которое находится в самом начале своего развития. 3D-принтинг объектов из композиционных материалов с оптимальной микроструктурой позволит решить недостижимые сегодня задачи в различных отраслях, в первую очередь, это ракетно-космическая техника, авиа- и вертолетостроение, автомобилестроение"1.
Исследователи надеются, что их разработки интегрированной технологии проектирования, аддитивного производства и многомасштабного моделирования позволят создать перспективные космические аппараты и обеспечить мировой уровень эксплуатационно-технических характеристик отечественных космических средств.
На данный момент рынок трехмерной печати далек от перенасыщения. Аналитики отрасли сходятся во мнении, что аддитивные технологии ждет радужное будущее. Уже сегодня научно-исследовательские центры, занимающиеся AF-разработками, получают огромные финансовые вливания от оборонного комплекса и медицинских государственных институтов, что подтверждает обоснованность экспертных прогнозов!
Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении / М.А. Зленко, М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш // Пособие для инженеров. – М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. - 220 с.
Вальтер А.В. Технологии аддитивного формообразования. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 171 с.
Сухочев Г.А. Технология машиностроения. Аддитивные технологии в подготовке производства наукоемких изделий / Г.А. Сухочев, С.Н. Коденцев, Е.Г. Смольянникова – Воронеж: Воронежский гос. технический ун-т, 2013. – 222 с.
Ерин С.В. Перспективы 3D-печати детекторов частиц: Препринт ИФВЭ 2014–11. – Протвино, 2014. – 13 с.
Дьяченко В.А. Материалы и процессы аддитивных технологий (быстрое прототипирование) / В.А. Дьяченко, И.Б. Челпанов, С.О. Никифоров, Д.Д. Хозонхонова.– Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2015.
– 198 с.