Помощь военным

Аддитивные технологии: на пороге широкого применения

Тема: Авиация, ВПК, Статьи

Опыт проектирования гражданского двигателя ПД-14 показал, что без передовых технологий и материалов невозможно создать современный конкурентоспособный двигатель. Одну из ключевых ролей в этом играют методы топологической оптимизации деталей и конструкций, а также аддитивные технологии, позволяющие изготовлять конструктивные элементы с заданными характеристиками. Применение таких подходов обеспечивает эффективность не только гражданской, но и военной продукции. Mil.Press Военное разобралось, как внедряются инновации в российском двигателестроении.

Подтвержденный результат


Как отметили в Объединенной двигателестроительной корпорации (входит в "Ростех"), работа по освоению аддитивных технологий (АТ) ведется на всех дочерних предприятиях. Корпорация планирует применять АТ при разработке и внедрении перспективных российских газотурбинных двигателей, которые сертифицируют после 2025 года. Активная стадия их проектирования начнется после 2019 года. В первую очередь речь идет о перспективном вертолетном двигателе (ПДВ) и двигателе большой мощности ПД-35.

Владимир Путин осматривает детали из нового кобальтового сплава

Эти и другие перспективные двигатели получат детали с так называемым бионическиим дизайном, или правильнее сказать – прошедшие топологическую оптимизацию. Этот подход предполагает проектирование деталей и конструкций исходя из тех функциональных нагрузок, которым они подвергаются. Это позволяет убрать все лишнее, оставив в материале лишь объемы, необходимые для обеспечения функциональности детали.

В результате получаются сложные нетривиальные конструкции, форму которых в большинстве случаев не могут обеспечить традиционные технологии. И здесь на помощь приходят АТ.
"Зачастую при топологической оптимизации аддитивные технологии – единственное решение при изготовлении сложнопрофильных деталей", – объяснил заместитель главного инженера опытного завода по АТ "ОДК-Сатурн" Денис Федосеев.
Для получения сложных конструкций традиционные методы изготовления, такие как литье и механическая обработка, требуют длительной и дорогой технологической подготовки, добавил специалист. АТ позволяют исключить или свести к минимуму эти производственные этапы.

Это подтверждает и опыт профильных институтов. В ВИАМе с помощью АТ за 5 дней синтезировали камеру сгорания, на производство которой классическим методом уходит порядка четырех месяцев. Камера успешно прошла испытания и показала высокую эффективность работы.

С 2 до 20%

"За аддитивными технологиями будущее, это понятно всем. Сейчас мы находимся на стадии готовности применять в газотурбинных двигателях детали, изготовленные таким методом", – заявил исполнительный директор "ОДК-Климов" Александр Ватагин.
Ближе всего к этому подошло "ОДК-Сатурн". В 2017 году на предприятии разработали и внедрили единый цикл проектирования деталей под аддитивное производство, что позволило сократить сроки разработки и внедрения в конструкторскую документацию новых конструкций деталей и узлов.

На предприятии "ОДК-Сатурн"

По результатам применения единого цикла проектирования инженеры получили снижение массы деталей на 30-50%, достигли необходимого уровня прочностных характеристик по статической и динамической прочности, а также сократили число поддерживающих структур относительно исходных деталей в два раза, получив значительную экономию материала.

Посредством АТ на предприятии производятся преимущественно сложнопрофильные детали небольших габаритов. В частности, это элементы камер сгорания, кронштейны, детали механизмов поворота лопаток, элементы механизации, перепуска и направляющих аппаратов газотурбинных двигателей (ГТД).
"Такой подход позволяет обеспечить функциональное совершенство детали. В 2016 году по методу АТ на "Сатурне" произведено более 600 деталей ГТД из нержавеющей стали, кобальтового и титанового сплавов. В современных двигателях около 2% массы изделия составляют детали, полученные с помощью аддитивных технологий. Это значение мы планируем повысить до 20%", – сообщил заместитель генерального конструктора ОДК Дмитрий Карелин.
Как отметил собеседник Mil.Press Военное, методы АТ обеспечивают достижение требуемой прочности при существенном снижении массы. Вместе с этим снижается себестоимость деталей, а скорость их изготовления – в несколько раз выше по сравнению с традиционным способом.

Серия не за горами


На "ОДК-Сатурн" функционирует Центр аддитивных технологий, который специализируется на изготовлении опытных деталей, моделей и узлов ГТД авиационного и наземного применения методами послойного синтеза. Аналогичная работа ведется и на других предприятиях корпорации.
"Предприятия, исходя из своих компетенций и потребностей, формируют номенклатуру деталей, проводят опытные работы, а серийное производство мы планируем организовать в Центре аддитивных технологий "Ростеха", – рассказал Дмитрий Карелин.


Деталь, синтезированная при помощи аддитивных технологий

Заместитель генерального конструктора добавил, что предприятия ОДК уже готовы к серийному выпуску. Многие детали прошли цикл межведомственных и сертификационных испытаний в составе изделий.

Ставка на массовость

"Технология уже реализована в России. Существует и серийное производство, но пока в небольших объемах. Актуальным остается вопрос более широкого применения АТ", – считает высокопоставленный сотрудник профильного авиационного института.
Смысл АТ заключается в новых подходах к проектированию, получению принципиально новых по своим характеристикам деталей и конструкций. И главным тормозом развития технологии специалист считает недостаточно высокий уровень ее распространения. По его мнению, необходимо наращивать парк оборудования, чтобы как можно больше людей - от студентов до конструкторов – понимали, как можно эффективно проектировать с учетом возможностей АТ.
"Это системная проблема. Но мы видим, что страна продолжает инвестировать в эти технологии, и количество уже переходит в качество", – добавил специалист.
При этом он отметил, что аддитивные технологии не всегда дают эффект. Они хороши при уникальном проектировании или производстве малой серии. Производить простые массовые детали пока еще экономически эффективно посредством традиционных технологий.

Мировое отставание и локальные успехи


Несмотря на достигнутые результаты, Россия еще находится в арьергарде мировых процессов. По словам генерального директора ВИАМ Евгения Каблова, международный рынок аддитивных технологий составляет порядка 5 млрд долларов, и по прогнозам к 2021 году это значение увеличится до 21 млрд. Сейчас более 50% рынка приходится на США, Великобританию и Германию, их активно догоняет Юго-Восточная Азия во главе с Китаем. Доля России составляет всего 2%.

Не менее остро стоит вопрос технологического первенства. Без новых материалов невозможно современное двигателестроение. И стоящая перед российскими наукой и производством задача по созданию перспективного двигателя ПД-35 во многом требует решения на уровне материаловедения.

В фокусе внимания – полимерно-композиционные материалы для лопаток, металлические композиционные материалы, в частности, интерметаллиды титана, которые могут заменить сталь и почти в два раза легче тех, что используются в существующих двигателях. Это высокожаропрочные материалы с рабочей температурой порядка полутора тысяч градусов без охлаждения.
"Сейчас в мире идет соревнование: кто быстрее достигнет идеальных показателей по двигателям. Конкурентоспособность определяется весом, производительностью и эффективностью конструкции. АТ позволяют единовременно решать проблемы материала, технологии и конструкции. И внедрять все это необходимо единым решением на стадии проектирования", – объяснил Евгений Каблов.

Локализация, кадры и документы


Важным остается вопрос локализации технологии. По словам Евгения Каблова, сейчас в России практически все основные элементы – производственные машины, программное обеспечение – имеют зарубежное происхождение. Удалось лишь уйти от зависимости в материалах – в стране созданы металлические порошковые композиции, пригодные для производства.

Генеральный директор ОДК Александр Артюхов и генеральный директор ВИАМ Евгений Каблов в ходе визита на ВИАМ

Актуальна задача по подготовке кадров. Применение подобных методов для разработки перспективных образцов деталей ГТД возможно лишь при высокой степени цифровизации процесса проектирования и производства. А для этого нужны грамотные специалисты.
"Также существуют сложности, связанные с защитой деталей, изготовленных при помощи АТ. Этот момент еще не отражен в нормативно-технической документации. Также отраслевые институты не прописали требуемый объем испытаний, которые должны пройти те или иные комплектующие. Но эта работа ведется", – сообщил Александр Ватагин.