07 сент. 2017

Аддитивное выращивание в малоразмерных ТРД

Аддитивные технологии - динамично развивающееся направление производства. Одним из их ключевых преимуществ является возможность создания деталей практически любой геометрической формы. Перспективным примером их внедрения, где форма решает многое, могут стать малоразмерные турбореактивные двигатели. Требования к геометрии проточной части двигателя, а также наличие мест в конструкции с резким переходом функциональных свойств элементов накладывают конструктивные ограничения как на отдельные детали, так и на всю конструкцию целиком. Применение аддитивных технологий позволяет обойти ряд ограничений и открывает перед разработчиком широкие возможности для оптимизации существующих конструкций и создания новых компоновочных схем.

Залог хорошего реактивного двигателя — это баланс ряда свойств: удельной массы, габаритных размеров, расхода топлива, стоимости двигателя для конечного потребителя и др.

Так в чём же состоит потенциальная выгода от внедрения аддитивных технологий?

Самым очевидным и лежащим на поверхности ответом на данный вопрос является снижение массы конечного изделия. Применение аддитивных технологий позволяет устранить ряд избыточных функциональных связей внутри двигателя. Что это значит? Допустим, у нас есть узел, состоящий из двух деталей, изготовленных традиционными методами. Деталь А и деталь Б. Функциональная нагрузка детали А – быть термостойкой и поворачивать поток воздуха, а детали Б – быть лёгкой и воспринимать усилия в определённом направлении. Деталь А придётся изготовить из жаропрочного сплава (данные сплавы, как правило, обладают высокой плотностью), а деталь Б из алюминиевого. Место сочленения деталей придётся усиливать и добавлять крепёжные элементы, что приводит к увеличению массы узла. Также при использовании традиционных технологий для изготовления (механообработка, литьё) в деталях останутся излишки материала, которые невозможно извлечь, либо их извлечение многократно увеличит стоимость изготовления.

При переработке данного узла под аддитивные технологии постановка задачи будет выглядеть следующим образом: необходимо создать деталь для поворота потока, организовав её структуру таким образом, чтобы она воспринимала усилия в заданном направлении. При такой постановке из конструкции исключаются элементы крепления, и конструктор организует геометрию таким образом, чтобы картина напряжённого состояния в ней была однородной и соответствовала требуемому запасу по прочности (из однородности напряженного состояния детали напрямую следует её массовая оптимизация). Благодаря тому, что аддитивные технологии позволяют выращивать жёсткие тонкостенные конструкции, плотность материала становится второстепенным фактором, и на первый план выходит его удельная прочность. А так как величина удельной прочности жаропрочных сплавов близка к алюминиевым, то объединение деталей А и Б в монолитную структуру и изготовление из жаропрочного сплава становится оправданным.

Вторым важным преимуществом внедрения аддитивных технологий, является удаление ряда конструктивных зазоров, возникающих ввиду сложности изготавливаемых деталей и необходимости их дробления (чтобы иметь возможность их изготовить традиционными технологиями), а также оптимизация геометрии проточной части двигателя, для улучшения условий протекания по ней рабочего тела. Что в свою очередь приведёт к снижению удельного расхода топлива за счёт уменьшения затрат на трение, повороты и деформации потока.

Третьим преимуществом внедрения аддитивных технологий при создании малоразмерных реактивных двигателей является снижение стоимости и сроков разработки. В процессе доводки двигателя приходится вносить множество изменений в проточную часть, что в каждом случае ведёт к изготовлению опытных образцов различных узлов сложной геометрии. Благодаря практически полному отсутствию этапа подготовки к производству при аддитивном выращивании достигается существенное снижение конечной стоимости опытных образцов и скорости их изготовления.

Несмотря на приведённые выше преимущества, внедрение аддитивных технологий сопряжено с рядом трудностей. Основным сдерживающим фактором, на наш взгляд, является крайне высокая стоимость оборудования и расходных материалов. Вторым не менее значащим фактором является сложность проектирования и конструирования деталей под аддитивные технологии при малой адаптации САПРов для решения данной задачи на текущий момент. Тем не менее по данным вопросам ведётся активная работа, и как показывает исторический опыт, со временем новая технология становится доступнее.

В заключение можно сказать, что все новаторские технические решения и проекты опирались на прорывные технологии своего времени, и, чтобы быть в чём-то первыми и лучшими, необходимо не только искать новые конструкторские решения, но и активно изучать и внедрять новые технологические инструменты в своих разработках.

Наша компания занимается разработкой малоразмерных турбореактивных двигателей и адаптацией элементов их конструкции под аддитивное производство. Мы надеемся, что благодаря инструментарию, который дают аддитивные технологии, сможем создать двигатели, обладающие конкурентными преимуществами по сравнению с существующими аналогами.