USING FDM-PRINTING FOR PROTOTYPING AIRCRAFT ENGINE COMBUSTION CHAMBER AND TESTING
Зайнтдинов А.М.1, Александров Ю.Б.2
1 Аспирант, 2 Кандидат химических наук, доцент, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ FDM-ПЕЧАТИ ДЛЯ ПРОТОТИПИРОВАНИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
Аннотация
Создана 3D-модель камеры сгорания газотурбинного двигателя, которая была адаптирована к распечатке на FDM-принтере.
Ключевые слова: 3D-печать, технология, авиастроение.
Zaintdinov A.M.1, Aleksandrov Y.B.2
1 Postgraduate student, 2 PhD in Engineering, Associate professor, Kazan State Technical University named after A. N. Tupolev
USING FDM-PRINTING FOR PROTOTYPING AIRCRAFT ENGINE COMBUSTION CHAMBER AND TESTING
Abstract
Created 3D-model of the combustion chamber of a gas turbine engine, which has been adapted to print on the FDM-printer.
Keywords: 3D-printing, technology, aircraft.
Одним из преимуществ 3D-печати это возможность изготовления детали любой сложности без использования большого парка станков, ресурсов и времени. Принтеры различаются по технологии печати и используемым материалам (FDM, SLA, SLS и др.). В нашей работе мы остановили свой выбор на технологии моделирования методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling (FDM)) эта технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве. Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.
Производственный цикл начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL делится на слои и ориентируется наиболее подходящим образом для печати. При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. Некоторые устройства позволяют использовать разные материалы во время одного производственного цикла. Например, возможна печать модели из одного материала с печатью опор из другого, легкорастворимого материала, что позволяет с легкостью удалять поддерживающие структуры после завершения процесса печати. Альтернативно, возможна печать разными цветами одного и того же вида пластика при создании единой модели.
Изделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования.
Пластиковая нить разматывается с катушки и подается в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель. Как правило, верхняя часть сопла наоборот охлаждается с помощью вентилятора для создания резкого градиента температур, необходимого для обеспечения плавной подачи материала.
Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования («САПР» или «CAD» по англоязычной терминологии). Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение пошаговыми моторами или сервоприводами. Поддержки и подложки влияют на качество поверхности, при проектировании печатных деталей необходимо их избегать. Поэтому созданная нами модель была переработана под 3D-печать. [1]
Объектом исследования была выбрана петлевая камера сгорания газотурбинного двигателя. Необходимо было изготовить только четверть камеры, 2 боковые стенки и переходной канал для подачи воздуха.
Модель КС была поделена на части так, чтобы каждая деталь печаталась с минимумом поддержек и подложек. Там, где имеются нависающие части модели, были сделаны фаски, например на внешнем и внутреннем кожухах в месте крепления к фронтовой плите и внешней пластине. В случае изготовления цельной камеры внутри остались бы поддержки, которые невозможно удалить. Эту проблему можно решить с помощью двухэкструдерного принтера, печатая поддержки из водорастворимого пластика.
В нашем случае использовался принтер с 1 экструдером, материалом был выбран PLA, отличающийся большей прочностью и меньшой термоусадкой. Для печати использовались принтеры Makerbot Replicator 2 и Leapfrog, первый является более точным и качественным, у второго же больше область печати.
Фронтовая плита, внешняя пластина и 2 боковые стенки были изготовлены из листа фанеры на лазерном резаке, что позволяет менять конфигурацию отверстий на плите в модели, изготовить за несколько минут новую плиту и установить ее на место старой. В дальнейшем возможно изготовление фронтовой плиты из оргстекла, что позволит наблюдать за течением подкрашенного воздуха внутри камеры.
Созданная и напечатанная нами камера сгорания газотурбинного двигателя в настоящее время используется для проведения газодинамических исследований на холодных продувках. Планируется сравнить полученные при этом газодинамические показатели с показателями настоящей металлической камеры и показателями, полученными при помощи численного моделирования в программе Fluent. Данная камера является первой версией, будет изготовлена новая, с доработками, основанными на изготовлении первой. Например будет решена проблема печати миллиметровых отверстий, закрытых сверху козырьком (в изготовленной камере козырьки напечатаны отдельно и устанавливаются на направляющие, которые затем расплавляются, делая деталь неразъемной) .Также планируется изготовить другие части газотурбинного двигателя, такие как лопатки компрессора и турбины, форсунки и другие.
Литература
- Материалы сайта http://3dtoday.ru/wiki/FDM_print/
References
- Materials of site http://3dtoday.ru/wiki/FDM_print/