Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
В сегодняшнем мире жесткой промышленной конкуренции основным направлением совершенствования любого производства является модернизация известных и создание новых технологических процессов.
Ведущую роль при этом играют цифровые и аддитивные технологии, которые позволяют создавать детали высокого качества с наименьшими затратами. А также детали, которые невозможно изготовить традиционными, "вычитающими" технологиями — механообработкой, литьем и т.д.
Именно применение аддитивных технологий позволяет в полной мере реализовать основные принципы создания материалов нового поколения, заложенные в Стратегических направлениях развития материалов и технологий на период до 2030 года, которые базируются на результатах фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований, полученных ведущими научно-исследовательскими организациями совместно с институтами РАН. А также на постулате о неразрывности материалов, технологий и конструкций, включая использование "зеленых" технологий при создании материалов и комплексных систем защиты. Они подразумевают реализацию полного жизненного цикла (с использованием IT технологий) — от создания материала до его эксплуатации в конструкции, диагностики, ремонте, продлении ресурса и утилизации.
В отрасли современного двигателестроения для создания газотурбинных двигателей (ГТД) нового поколения требуется всесторонняя технологическая подготовка производства, с которой связаны циклы освоения и выпуска продукции. А также, в конечном итоге, эксплуатационная надежность изделия и его себестоимость. Надежность и ресурс газотурбинного двигателя летательного аппарата в значительной степени зависит от качества изготовления деталей.
Одна из особенностей авиационного двигателестроения заключается в том, что большая часть деталей изготавливается из труднообрабатываемых материалов, что напрямую ведет к повышению трудоемкости и себестоимости изделия.
Решение большинства подобных задач возможно с применением в современном двигателестроении аддитивного производства — новаторских технологий изготовления и ремонта сложнопрофильных и уникальных деталей с высокой точностью из металлических порошков.
Применение аддитивных технологий обеспечивает:
— изготовление сложнопрофильных и уникальных деталей без использования механических обрабатывающих станков и дорогостоящей оснастки;
— повышение рентабельности производства малой серии и эксклюзивных вариантов;
— устранение влияния "человеческого" фактора при изготовлении деталей: построение детали проводится в полностью автоматическом режиме;
— снижение веса деталей ГТД за счет уменьшения толщины стенок, элементов, создания сотовых и иных структур (т.н. бионического дизайна);
— возможность создания комплексных, интегрированных деталей за один технологический цикл;
— отсутствие в деталях литейных дефектов и напряжений;
— управление физико-механическими свойствами создаваемого изделия.
В настоящее время за рубежом аддитивные технологии переходят из разряда опытных и единичных работ в разряд учебных и промышленных участков. Так, в апреле 2013 года производитель реактивных двигателей компания Pratt&Whitney совместно с Университетом Коннектикута (США) создали современный центр аддитивного производства на базе Технологического парка Университета.
Внедрением аддитивных технологий в авиационную промышленность занимаются и такие крупные компании, как GE (General Electric) и MTUAeroEngines, которые ведут разработки в области создания технологий получения практически всех деталей ГТД (за исключением дисков) методом селективного лазерного спекания (СЛС) металлических порошков.
К настоящему моменту указанные компании уже прошли процедуру сертификации самого производства, а сертификация получаемых деталей намечена на 2014-2018 годы.
К аддитивным технологиям, имеющим наибольшие перспективы в авиационной отрасли, относятся селективное лазерное сплавление (применительно к металлическим порошкам) и спекание (для керамических порошков), а также лазерная наплавка металлических порошков (LMD).
Селективное лазерное сплавление позволяет получать детали непосредственно из порошка, минуя все промежуточные и подготовительные операции (разработка и изготовление литейной или штамповой оснастки, механическая обработка и т.д.). По предварительно построенной CAD модели происходит послойное "выращивание" детали при выборочном сплавлении частиц порошка в соответствии с геометрией поперечных сечений детали. Толщина слоя при этом не превышает 60-80 мкм. Одновременно можно выращивать сразу несколько деталей, количество и размер которых ограничивается только габаритами рабочей камеры установки.
Лазерная порошковая наплавка связана с наплавлением порошка, подаваемого роботизированным дозировщиком в виде газо-порошковой смеси через специальную дюзу малого сечения. Такая технология может быть востребована не только для ремонта и упрочнения поверхности детали, но и для создания принципиально новых градиентных материалов или деталей с внутренними силовыми элементами и внешними износо- или жаростойкими покрытиями, которые могут быть получены за один технологический цикл производства.
В то время, как многие современные сплавы — например для лопаток и дисков ГТД — подошли к пику своего развития, аддитивные технологии могут стать платформой для получения новых прорывных материалов и технологий для перспективных двигателей военной и гражданской авиации.
В ближайшие годы в России намечено существенное развитие применения аддитивных технологий в производстве, что приведет к значительному росту закупаемых установок. Необходимо также иметь ввиду, что интенсивное использование аддитивных технологий в отечественном производстве сдерживается отсутствием в РФ исходного сырья.
В качестве исходного сырья используются мелко-дисперсные металлические порошки сплавов на различных основах. При этом к порошкам для аддитивных технологий предъявляется ряд определенных требований. В первую очередь, это обеспечение сферичности, строго определенного гранулометрического состава с высоким выходом годного, высокой химической однородности, пониженного содержания газовых примесей — кислорода и азота.
На данный момент предприятия авиационной отрасли закупают и используют порошки сплавов зарубежного производства, поставляемых фирмами — производителями установок. При этом имеется острая потребность в металлических порошках отечественных сплавов. Серийного производства порошковых материалов для данных технологий в России нет. Потребность существующего парка установок для аддитивного производства в РФ в порошковых материалах составляет примерно 20 т/год.
Для решения данной проблемы в ВИАМ организован замкнутый цикл аддитивного производства деталей ГТД, включающий производство расходуемой шихтовой заготовки, получение мелкодисперсных металлических порошков отечественных сплавов и разработку технологий селективного лазерного спекания деталей из этих порошков с последующей газостатической обработкой. Возможность проведения полного цикла исследований и обеспечения выпускаемой продукции необходимой научно-технической документацией открывают также перспективу организации в ВИАМ серийного производства металлических порошков с последующей их сертификацией для ведущих моторостроительных предприятий.
Создание единого центра, обеспечивающего серийный выпуск порошков, отработку технологий аддитивного производства деталей ГТД на базе ВИАМ обеспечит сокращение отставания от зарубежных конкурентов в данной, интенсивно развивающейся области. Оно позволит снизить стоимость отечественных порошков до уровня зарубежных, что обеспечит проведение не только опытных работ на отечественных моторостроительных предприятиях, но и передачу данных технологий в серию.
В области аддитивных технологий ВИАМ активно сотрудничает с ИПЛИТ РАН (руководитель академик РАН В.Я. Панченко), в котором всесторонне исследована одна из технологий аддитивного производства — лазерная стереолитография. Там же разработаны материалы и создан типоряд установок, характеристики которых находятся на уровне зарубежных аналогов. На сегодняшний день лазерная стереолитография — наиболее точный и универсальный метод оперативного формирования трехмерных компьютерных моделей из фотополимеров.
Аддитивные технологии с полным основанием относятся к достижениям XXI века и имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции. Очень важно, чтобы это направление не постигла участь знаменитой науки "кибернетики", которая была объявлена в нашей стране лженаукой, а изданная в 1948 году книга американского математика Норберта Винера "Кибернетика или управление и связь в животном и машине" попала на полки с секретными изданиями по той причине, что автор высказал идеи, не согласующиеся с официальными доктринами, пропагандируемыми в советском обществе.
В книге было четко показано, что концептуальные схемы, определяющие поведение живых организмов при решении конкретных задач, практически идентичны схемам, характеризующим процессы управления в сложных технических системах.
Отсюда можно сделать вывод о том, что степень использования аддитивных технологий в материальном производстве является верным индикатором индустриальной мощи государства, индикатором его инновационного развития. Для широкого внедрения прогрессивных технологий 3D-печати целесообразно формирование подпрограммы "Развитие промышленности Аддитивных технологий" в рамках Государственной программы "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности".