24 мая 2019

Аддитивные технологии при создании двигателя Д200

Аддитивные технологи (АТ) – динамично развивающееся и многообещающее направление производства. В чем его плюсы и минусы, и каковы подходы к проектированию деталей. В каких случаях можно получить экономический эффект? Размышления на данные вопросы, основанные на имеющемся опыте, изложены в данной статье. Изложенное является мнением автора, которое может отличатся от мнения других людей.

Разбор примеров применения АТ

Разбор возможных применений АТ, стоит начать с динамики докладов ежегодной конференции в ВИАМ «Аддитивные технологии настоящее и будущее» (Ввиду того, что ВИАМ является головной организацией, выполняющей роль интегратора по данному направлению развития техники в нашей стране. Данная статистика косвенно оценивает объём проведенной работы по тому или иному направлению) в части «Опыт разработки и применения аддитивных технологий». Направления и число докладов приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Направление 2015 2016 2017 2018
Медицина 2 1 1 4
Двигателестроение 5 4 2 6
Сенсоры   1 1  
Атомная промышленность   1 1 1
Электронная промышленность   1    
Кораблестроение     1  
Энергетика     1  
Аэрокосмическая сфера     2 1

Исходя из имеющейся выборки можно сделать вывод, что основными направлениями внедрения АТ в нашей стране, на текущий момент, является медицина и двигателестроение (ГТД, ЖРД).

Направление медицины является наиболее очевидным ввиду того, что в данном направлении наиболее ярко проявляется основное преимущество аддитивных технологий – это технологическая гибкость (Возможность при небольших издержках выпускать несерийные изделия сложной геометрии). Основным направлением является протезирование.

Двигателестроение также является отраслью, где аддитивные технологии находят все новые и новые применения. Перспективность данного направления просматривается в большом количестве проектов как в РФ, так и зарубежом.

Форсуночная головка Микро ЖРД.

(Фото предоставлено Центром аддитивных технологий г. Воронеж).

Применение АТ в двигателестроении обусловлено несколькими факторами:

  1. Возможность снижения массы конечного изделия, ввиду сокращения материалоёмкости заготовок за счет повышения функциональности размещения материала или снижения количества деталей в узлах за счёт удаления избыточных функциональных связей, обусловленных технологическими ограничениями при изготовлении или процедурой сборки.
  2. Снижение затрат на производство. Элементы ТРД и ЖРД имеют сложную геометрию, для их изготовления требуется дорогостоящая оснастка и большое количество ручного труда. Предполагается, что при помощи АТ можно получить некоторый выигрыш при изготовлении ряда деталей. При этом, весьма существенный выигрыш можно получить на стадии ОКР, за счет уменьшения сроков изготовления опытных образцов и уменьшения времени простоя КБ и вспомогательных подразделений.
  3. Немаловажным является возможность получения сверхсуммарного эффекта. Т.е. изготовления конструкций, которые можно получить только АТ, при этом происходит увеличение удельных параметров изделия, которое нивелирует, например, увеличение стоимости.

Тем не менее не все так радужно, как может показаться. Есть два фактора, которые существенно сдерживают внедрение АТ (в большей степени они относятся к печати металлопорошковыми композициями). Первым фактором является стоимость. Рыночная стоимость 1 см3 детали, напечатанной, допустим, из нержавеющей стали составляет около 500 р. (в дальнейших оценках будем брать данную цифру предполагая, что оценка стоимости делается снизу), жаростойкие материалы стоят еще дороже. При этом существенную часть в данной цене составляет амортизация оборудования, а ожидать существенного снижения его стоимости или повышения производительности в ближайшее время не приходится. Вторым фактором является существенная сложность сертификации изделий, изготовленных АТ. Это обусловлено сложностью технологии и большим количеством факторов, влияющих на свойства конечного изделия. В связи с этим, в основной массе, изделия, изготавливаемые методами АТ — это изделия, функционирующие до безопасного отказа. Таким образом если рассматривать актуальность внедрения АТ во все что летает, то беспилотная техника (Включая космические аппараты) выглядит наиболее перспективно ввиду отсутствия жестких требований к безопасности, и как следствие упрощенной процедурой сертификации или сдачи изделия заказчику.

Подходы к конструированию деталей методами АТ

На текущий момент большинство конструкторов (с которыми я знаком) делятся на две категории – это скептики внедрения аддитивных технологий и энтузиасты (люди, считающие что все можно напечатать). С течением времени вторых становится меньше по объективным причинам.

На мой взгляд к АТ необходимо относиться как к инструменту, которым конструктору/технологу необходимо владеть и применять в случаях, когда это оправдано. При этом, АТ ни в коем случае не могут заменить традиционные технологии в серийном производстве, а лишь дополняют их, давая дополнительные возможности при проектировании и конструировании новых изделий.

Для того, чтобы эффективно применять АТ - необходимы отработанные подходы и приёмы, на которые придётся потратить значительные силы и средства. И по большому счёту в овладении ими Вам никто не поможет.

Ввиду большого многообразия деталей, которые могут быть произведены, проводить точную оценку оправданности изготовления АТ производства для каждой не представляется возможным. Поэтому необходим предварительный отсев по качественным признакам:

  • Удельная стоимость детали, стоимость/масса;
  • Объем производства;
  • Доступ к традиционным технологиям*;
  • Производственные риски;
  • Возможности повышения удельных параметров конечного изделия;
  • Ориентированности детали под аддитивное производство**.

*Примечание: под доступом к традиционным технологиям подразумевается, что потенциальная деталь может быть изготовлена традиционными методами, но на текущий момент времени изготовить данную деталь иначе чем АТ не представляется возможным по тем или иным причинам.

** Примечание: так же, как и механообработка, литье и другие технологии, АТ имеют технологические ограничения, которые обуславливают возможность или рациональность изготовления. Ориентированность – это то, что деталь имеет типичные свойства, которые присущи деталям, изготовление которых АТ выглядит рациональным.

Важность того или иного критерия сильно зависит от конкретной ситуации и здесь приходится полагаться на багаж опыта, который стоит за плечами конструктора/технолога.

Первым нашим двигателем является Д200 с максимальной тягой 20 кгс. При его разработке активно применялись АТ.

Двигатель Д200.

Масса газогенератора составляет около двух килограмм (Исключая стартер, блок управления, подшипники и другие компоненты). Таким образом, если бы мы гипотетически захотели его распечатать целиком, то стоимость заготовок составила бы (с учётом того, что поддержки составляют 30% от массы детали, что весьма оптимистично) 2000/7,8*1,3*500 = 165 т.р. В дальнейшем необходимо произвести очистку от поддержек и точную обработку посадочных поверхностей, это бы увеличило стоимость (Серийных!!!) конечных деталей еще примерно на 50%. Если добавить к вышеупомянутым затратам стоимость компонентов, и прочие затраты: логистика, накладные расходы и прочее, то себестоимость изготовления серийного ТРД будет в районе 350 – 400 т.р. (по самой оптимистичной оценке), что существенно превышает рыночную стоимость данного двигателя. Таким образом, на основании этого можно сделать вывод, что использовать печать и реверс инжиниринг классической отработанной конструкции при текущей стоимости печати не целесообразно экономически (Странно, но данным вопросом занимаются многие уважаемые организации).

Тем не менее если проводить по-детальную оценку, при условии, что компоновка двигателя подразумевает оптимизацию некоторых узлов под печать, то можно выделить несколько типов деталей которые выглядят перспективно: литые детали статора турбины и детали сложной геометрии, не находящиеся в горячей части (Подразумевается, что их можно изготовить из термостойких или композитных полимеров). Переход на аддитивные технологии позволил снизить массу данных деталей на 30%, существенно сократить сроки и стоимость изготовления (с учетом всех производственных операций).

Корпус стартера двигателя Д200.

Хорошим примером является корпус стартера – изготавливается из композитного полимера повышенной термостойкости и прочности. В нем располагается непосредственно стартер ТРД и датчик оборотов. Предполагается, что узел является частично неразборным и не ремонтопригодным ввиду того, что все входящие в него компоненты имеют невысокую стоимость, просты и высоконадежны. При отказе меняется целиком. Внутри детали имеются каналы и выемки для прокладки проводов и установки датчиков. Конструкция детали ориентирована под аддитивные технологии – деталь имеет относительно небольшое основание, и каждый предыдущий слой является основанием для последующего т.е. деталь не имеет технологических поддержек. Деталь содержит только функциональные поверхности и элементы, размер и толщина которых является минимально достаточной для выполнения ими работы по назначению при изготовлении из выбранного материала.

Оптимизации деталей, изготавливаемых АТ стоит уделять особое внимание. Особенно изготавливаемых из металлопорошковых композиций. Удаление не функциональных элементов, организация формы детали таким образом, чтобы при печати количество поддержек было минимальным существенно снизит стоимость при серийном производстве благодаря уменьшению времени работы принтера и затратам на материалы. Даже при печати полимерами, где стоимость материалов не велика стоит помнить, что качественная печать даже небольших деталей занимает существенное время (Например, время печати корпуса стартера составляет 14,5 часов!).

Также печать полимерами активно использовалась в техпроцессах по изготовлению деталей, в основном для изготовления оснастки, которая в последствии использовалась для сварки, гибки и пр.

Сопловой аппарат турбины – изготавливается из жаропрочного сплава ПР-08ХН53БМТЮ. Детали изготовлены Центром Аддитивных технологий г. Воронеж. Деталь устанавливается в конструкцию как обжимаемая вставка. Такой подход позволил уменьшить массу детали и избежать вхождения в деталь не функциональных элементов, что в свою очередь позитивно отразилось на её конечной стоимости.

Заготовки соплового аппарата двигателя Д200 до и после снятия поддержек.

Заключение

Проделанная работа - это адаптация конструкции нашего ТРД под применение аддитивных технологий, в тех случаях, когда это было оправдано. Данная работа потребовала значительного времени и сил, тем не менее приобретённый опыт оказался весьма полезен в плане интегральной оценки подходов к созданию объектов техники с внедрением АТ - Когда форма детали (конструкция/компоновка) является следствием выполняемой функции, а не применяемых технологий.

Мы продолжаем возлагать большие надежды на АТ в дальнейшем развитии проекта, во многом делая ставку на сверхсуммарный эффект (в плане повышения удельных параметров) которого они потенциально могут позволить достичь при внедрении неординарных конструкторских решений, что в свою очередь должно обеспечить конкурентные преимущества перед аналогами на уже сложившемся рынке.