Вырастить детали помогут лазер и "цифра"

В Институте двигателей и энергетических установок (ИДЭУ) Самарского национального исследовательского университета им. академика С.П. Королёва успешно завершились приемочные испытания комплексной типовой технологии аддитивного производства деталей и узлов горячей части индустриальных газотурбинных двигателей (ГТД).

В ее состав вошли процессы селективного лазерного сплавления (СЛС), прямого лазерного выращивания (ПЛВ), а также термической и механической обработки. Технология отрабатывалась на пяти видах деталей малоэмиссионной камеры сгорания (МЭКС): это горелочное устройство, наружный и внутренний кожухи камеры сгорания, а также наружное и внутреннее кольца аппарата закрутки. МЭКС отличается повышенной экологичностью и предназначена для энергетических установок.

"Помимо непосредственной отработки технологических процессов, мы создали интеллектуальную систему конструкторско-технологической подготовки производства на базе PLM "Лоцман". С помощью цифровых технологий она увязывает воедино все стадии создания изделия – от замысла конструктора до его воплощения в металле. Иными словами, от этапа его конструктивной проработки до получения готовых деталей на промышленных аддитивных установках непосредственно в цехе предприятия. Также разработана методика цифровой организационной конструкторско-технологической подготовки аддитивного производства. Все эти разработки сейчас переданы индустриальному партнеру и внедрены", – рассказал Виталий Смелов, директор Института двигателей и энергетических установок.

Проект стартовал в 2021 году и включал в себя пять этапов. На его реализацию ушло три года. Средства для финансирования были выделены по постановлению Правительства России №218.

Индустриальным партнером Самарского университета им. Королёва выступило ПАО "ОДК–Кузнецов". Благодаря проекту, на этом предприятии Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК, входит в "Ростех") сейчас развернуто комплексное высокотехнологичное производство деталей и узлов горячей части индустриальных ГТД, основанное на аддитивных технологиях, а также модернизирована имевшаяся на заводе установка прямого лазерного выращивания.

Павел Чупин, генеральный конструктор ПАО "ОДК–Кузнецов", считает наиболее значимой разработкой данного проекта "Методику цифровой организационной конструкторско-технологической подготовки аддитивного производства". С ее помощью заводские конструкторы и технологи могут разработать процесс 3D-печати для любого изделия. В частности, задать необходимые геометрические формы, подобрать оптимальные режимы сплавления, оценить характеристики материала в готовой детали.

Что касается интеллектуальной системы комплексной конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП) деталей индустриальных ГТД, то она также внедрена на предприятии и интегрирована в единый цифровой контур на базе его PDM-системы.

"Применение аддитивных технологий в сочетании с интеллектуальной системой КТПП обеспечивает сокращение сроков подготовки производства и изготовления деталей индустриальных ГТД с повышенными характеристиками", – отметил Павел Чупин.

Как пояснила Виктория Кокарева, доцент кафедры технологии производства двигателей, внедрение методов 3D-печати и интеллектуальных систем делает производственный процесс более эффективным, сокращает затрачиваемое время, а также материальные и финансовые затраты.

"При изготовлении изделий с помощью традиционных технологий – штамповкой, резанием, сваркой – как правило, требуется специализированная оснастка, нередко дорогостоящая, причем на ее проектирование и изготовление уходит немало времени. В условиях крупносерийного производства это не столь критично. А вот при разработке новых изделий, на стадии опытного производства факторы времени и затрат выходят на первый план. Именно здесь, в опытном производстве, преимущества аддитивных технологий проявляются в полной мере", – пояснила Виктория Кокарева.

Созданное в ПАО "ОДК – Кузнецов" комплексное высокотехнологичное производство обеспечивает высокий коэффициент использования материала (КИМ) – более 70%, а выход годной продукции по металлу (с учетом повторного использования порошка) – не менее 95%.

С помощью технологий объемной печати можно также повысить эффективность классических техпроцессов – например, литья по выжигаемым и по выплавляемым моделям, если печатать эти модели из пластика и воска на 3D-принтерах. Это тоже весьма актуально для двигателестроительных предприятий.

В целом внедрение разработок Самарского университета им. Королёва сулит двигателестроителям немалый эффект. В свою очередь, перед вузом тоже открылись новые возможности – в частности, благодаря приобретению на средства проекта новых аддитивных установок. Они аналогичны тем, которыми оснащены производственные участки ПАО "ОДК – Кузнецов", разница лишь в размерах – университетские установки несколько меньше заводских.

"К началу проекта мы уже умели выращивать изделия средних габаритов с помощью технологии СЛС. Появление установок с более мощным лазерами, работающих с порошками более крупных фракций, вывело нас на печать изделий размером свыше метра. В партнерстве с компанией "ИЛИСТ", чью установку мы используем, нам удалось существенно нарастить свои компетенции в области технологий ПЛВ. В частности, испытания показали, что механические свойства наших изделий из порошка жаропрочного сплава ЭП648 соответствуют свойствам образцов, полученных из проката той же марки", – поделился достижениями Андрей Балякин, инженер Инжинирингового центра Самарского университета им. Королёва.

Размер и мощность установок имеют значение: теперь университет способен помочь производственникам не только исследованиями, но и участием в выполнении производственных заказов.

"Аддитивные установки М-350 и "ИЛИСТ", которые появились в лабораториях ИДЭУ благодаря проекту, позволяют нам не только изучать и отрабатывать технологические процессы в интересах индустриального партнера, но и встроиться в его кооперационную цепочку. При необходимости мы сможем производить в университете небольшие партии деталей, участвуя в модернизации серийных и разработке новых двигателей", – добавил Виталий Смелов.

Как отметила Виктория Кокарева, с самого начала проекта новые аддитивные установки использовались в учебном процессе.

"Студенты и аспиранты ИДЭУ занимались программированием робота Fanuc, подбором и анализом технологических режимов прямого лазерного выращивания. А кроме того, сотрудники ПАО "ОДК–Кузнецов" прошли у нас курс повышения квалификации", – пояснила Виктория Кокарева.

Справочно:

Что сделано Самарским университетом им. Королёва в рамках проекта "Организация высокотехнологичного производства индустриальных ГТД с интеллектуальной системой конструкторско-технологической подготовки для повышения функциональных характеристик"

1. Разработана комплексная технология аддитивного производства деталей и узлов горячей части индустриальных газотурбинных двигателей. 
2. Создана методика цифровой организационной конструкторско-технологической подготовки аддитивного производства.
3. Создана интеллектуальная система комплексной конструкторско-технологической подготовки производства деталей индустриальных ГТД.
4. Модернизирована установка технологического лазерного выращивания "ИЛИСТ" в интересах индустриального партнера проекта ПАО "ОДК–Кузнецов".
5. Создано комплексное высокотехнологичное производство деталей и узлов горячей части индустриальных ГТД на базе аддитивных технологий.

Фото: Андрей Павлов