ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 3D-ПЕЧАТИ В АВИАСТРОЕНИИ
Зайнтдинов А.М.1, Александров Ю.Б.2
1Аспирант,
2кандидат химических наук, доцент,
Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 3D-ПЕЧАТИ В АВИАСТРОЕНИИ
Аннотация
Проведено исследование и обзор статей по теме возможностей использования 3D-печати в авиационной, ракетной и аэрокосмической области.
Ключевые слова: 3D-печать, технология, авиастроение.
Zaintdinov A.M.1, Aleksandrov Y.B.2
1Postgraduate,
2PhD in Technical Sciences,
Kazan State Technical University named after A. N. Tupolev
PROSPECTS OF USING 3D-PRINTING IN THE AIRCRAFT INDUSTRY
Abstract
The research and review articles on the possibilities of using 3D-printing at aircraft, missile and aerospace industry.
Keywords: 3D-printing, technology, aircraft.
В последние несколько лет рынок 3D-печати сильно вырос, появились новые типы принтеров, новые технологии, позволяющие печатать быстрее, экономичнее и из более сложных материалов. Появились автомобили, самолеты, ракеты, двигатели и другие машины, целиком либо частично изготовленные на 3D-принтере. 3D-печать используют для создания уникальных изделий в единственном экземпляре (арт-объекты, музыкальные инструменты, автомобили и т.п.). Для печати необходим лишь принтер с расходными материалами и 3D-модель, т.е. на одном и том же принтере можно напечатать как небольшую деталь (например. компьютерную мышь или гитару), так и более сложную деталь (протез руки, деталь автомобиля, самолета, двигателя и др.). Это дает возможность использовать 3D-печать при разработке новых камер сгорания, турбин, компрессоров и других деталей авиационного двигателя. Например, камеру сгорания можно просчитать и оптимизировать численными методами (в компьютерной программе Ansys и подобных), затем изготовить на принтере за несколько часов эту камеру из пластика и исследовать ее на стенде используя холодную продувку и сравнить экспериментальные данные с полученными на компьютере. Возможно использовать печатную деталь для распределения воздушных потоков по длине жаровой трубы камеры сгорания или для усовершенствования охлаждения камеры сгорания, путем смещения и изменения отверстии подвода воздуха, либо для лопаток турбины, изменяя их форму. После проведения испытаний деталь можно переплавить и получить большую часть пластика в виде нового расходного материала. Принтеры различаются по технологии печати, материалу и размерам области печати. Бюджетные принтеры стоимостью до 1000$ печатают детали из пластика методом наплавления нитей (Fused Filament Fabrication), имеют небольшую область печати (до 20х15х15 см) и невысокую точность. Для проведения испытания камеры сгорания, прототипирования или в целях демонстрации модель можно упростить, удалив слишком маленькие отверстия (их можно проделать после печати) и ненужные элементы, не относящиеся к камере сгорания. Поскольку бюджетные принтеры не могут целиком напечатать камеру сгорания большинства двигателей, модель можно разделить на четверти и соединить клеем либо с помощью резьбовых соединений. Для этого утолщаются стенки на входе и выходе, которые не влияют на процессы, происходящие внутри камеры и добавляются конструктивные элементы (резьбовое соединение, защелка, хомут и т.п.)
Крупнейшие машиностроительные компании и научные ведомства уже используют 3D-печать и проводят испытания. 24 ноября 2014 года NASA на специально для этого разработанном принтере напечатали первую деталь в условиях низкой гравитации на станции МКС. Объектом печати стала деталь самого принтера. Это демонстрирует, что в случае поломки оборудования на станции, новую деталь возможно будет изготовить там же, без транспортировки с помощью ракеты с Земли. Астронавты напечатают запчасти, инструменты и другие детали, которые затем будут отправлены на Землю, где пройдут испытания на растяжение, прочность, гибкость и т.п.. По результатам испытаний будет разработан принтер второго поколения для печати в условиях низкой гравитации. По заявлениям NASA, все это демонстрирует, что в случае поломки оборудования на станции, новую деталь возможно будет изготовить там же, без транспортировки с помощью ракеты с Земли.
Европейское Космическое Агентство (ESA) и Европейская Комиссия приступили к реализации проекта AMAZE. Цель проекта это использование технологий 3D-печати (additive technology) для эффективного производства высокотехнологичных изделий из металла с нулевыми отходами. Создатели проекта стремятся установить на МКС принтер, способный печатать металлом для производства инструментов, оборудования, спутников и космических аппаратов для миссий на Луну и Марс. Для этого они использую новые высокотехнологичные сплавы, которые испытывают с использованием лазеров, электронных пучков и плазмы. Некоторые из этих материалов выдерживают температуру до 3500о С. В них также используются комбинирование вольфрама, ниобия или платины, без потерь материала при производстве. Т.е. для производства изделия из титана весом в 1 кг, необходим 1 кг титана, что делают эту технологию экологически чистой и более энергоэффективной.
Победителем конкурса от NASA, посвященного космическим технологиям, стал проект из Африки. Его разработчики создали 3D-принтер из отходов, которые собираются в бедных странах Африки, способный из этих же отходов производить изделия. Они предлагают отправлять отходы с планеты и межзвездный мусор на перспективные планеты, где принтер будет печатать из него другие принтеры и изделия, необходимые для будущей колонизации планеты.
Вслед за США и Европой Китайская Космическая Корпорация Науки и Технологии (CASTC) анонсировала принтер для печати на орбитальной станции. Он способен печатать изделия размером до 250 мм из нержавеющей стали, титанового сплава и суперсплава на основе никеля, например детали телескопа или объектива.
Французский производитель вертолетных газотурбинных двигателей Turbomeca использует 3D-печать лазерным спеканием с толщиной слоя 100 мкм для создания топливных форсунок. Деталь изготавливается из никелевого суперсплава и по словам создателей она имеет более эффективное впрыскивание и охлаждение. Проект является частью программы по внедрению в компанию новых технологий, вслед за форсунками они предлагают изготовление завихрителей камеры сгорания.
General Electric уже сделали огромные шаги в области промышленной 3D-печати, открыв заводы по массовому производству топливных форсунок для реактивных двигателей LEAP. Их конкуренты Rolls-Royce проводят испытания крупнейшей печатной детали для самолета, которая когда-либо производилась. Компонент двигателя XWB-97 изготовлен из титана и имеет диаметр 1,5 м, толщину 0,5 м, а также 48 фронтовых лопаток. Компания провела испытания нескольких двигателей на земле и готовится к полетным испытаниям. В настоящее время Rolls-Royce не планирует использовать напечатанный компрессор в серийном производстве двигателей, которые устанавливаются на самолет Airbus A350-1000, тесты в конце этого года покажут эффективность и возможности серийного использования этой технологии. По словам производителя, компрессор получился гораздо более легким, а время на производство сократилось на 30%, что сэкономило затраты и время создания прототипа. Полученные знания и опыт они планируют использовать для создания еще больших по размеру деталей.
6 января 2014 года SpaceX сообщила об успешном запуске ракеты Falcon 9 с 3D печатным основным окислительным клапаном (ООК) двигателей Merlin 1D. Это был первый раз, когда SpaceX запустила 3D печатную деталь в составе ракеты в космос. Корпус ООК напечатали менее, чем за 2 дня, при том, что традиционные методы изготовления таких деталей посредством литья отнимают несколько месяцев. SpaceX рассматривает преимущества 3Dпечати и использует технологию для разработки летных образцов с 2011 года. Одним из первых удачных результатов стала камера двигателя Super Draco в конце 2013 года. Камера двигателя Super Draco изготовлена по технологии прямого лазерного спекания метала, которая позволяет быстро производить высококачественные изделия из металла. Камера охлаждается рекуперативно и напечатана из Inconel, высокопроизводительного суперсплава, который обеспечивает высокую прочность, надежность и износостойкость. По информации SpaceX, двигатель Super Draco успешно прошел испытания.
Исследователи их Университета Монаш в Австралии совместно с CSIRO и университетом Дикин изготовили реактивный двигатель посредством 3D печати. Согласно исследователям, это впервые, когда был напечатан целый авиационный двигатель. Это был довольно сложный проект, работа над которым заняла целый год, при финансовой поддержке университета Монаш, Благотворительного фонда науки и промышленности (БФНП). Тем не менее, весь процесс печати занял около месяца. В общей сложности 14 основных компонентов были напечатаны из метала на лазерных принтерах. По словам исследователей, детали двигателя пройдут испытания в реальных условиях примерно через два года.
Также в NASA и различных компаниях реализованы проекты по печати телескопов, деталей двигателя, выхлопной системы автомобиля и других изделий сложной формы из металла (стали, титана), в каждом из них изготовленная деталь получилась более легкой, а время производства значительно сократилось.
С развитием технологии в список материалов, используемых для печати, добавились металлы, их сплавы, полимеры, пластики, порошки из драгоценных металлов с добавлением стекловолокна и керамики, нейлон, гипс, цемент и другие, а также появились новые материалы, разработанные специально для 3D-печати, в том числе деревянное волокно (смесь пластика с деревом, по внешним признакам схожая с деревом), гидрогель и материал, способный печатать органическими клетками.
Литература
- Материалы сайта http://3dprintingindustry.com
- Материалы сайта http://www.3dindustry.ru
- Материалы сайта http://www.esa.int
- Материалы сайта http://news.xinhuanet.com
References
- Materialy sajta http://3dprintingindustry.com
- Materialy sajta http://www.3dindustry.ru
- Materialy sajta http://www.esa.int
- Materialy sajta http://news.xinhuanet.com