Возможности технологий крупногабаритной печати при производстве элементов ракетно-космической техники

Язык труда и переводы:
УДК:
67.02
Дата публикации:
19 декабря 2021, 16:26
Категория:
Секция 11. Наукоемкие технологии в ракетно-космической технике
Авторы
Аннотация:
Представлен обзор и тенденции развития доступных на сегодняшний день технологий крупногабаритной печати и их возможностей с привязкой к перспективным материалам для ракетно-космической техники, проведен анализ открытых источников результатов в сфере производства крупногабаритных элементов ракетно-космической техники, в том числе возможных дефектов при освоении 3D-печати с применением конструкционных материалов, используемых в ракетно-космической технике, и проведен обзор нормативной базы в части применения аддитивных технологий.
Ключевые слова:
аддитивные технологии, крупногабаритная печать, наплавка, конструкционные сплавы, дефекты, стандартизация
Основной текст труда

На сегодняшний день в России реализуется несколько крупных проектов по созданию ракет-носителей (РН) нового класса, к которым можно отнести РН Союз-5, РН Ангара-А5М, РН Ангара-А5П с ПТК «Орел», РН Ангара А5В и перспективные РН на сжиженном природном газе. Для всех перечисленных разработок основополагающим является массогабаритный фактор на этапе проектирования элементов конструкций. Оптимизация массы изделия напрямую зависит от свойств применяемых материалов и возможностей современных технологий производства деталей и сборочных единиц (ДСЕ).

На этом фоне на ведущих предприятиях-проектировщиках космических средств выведения, таких как РКЦ «Прогресс», ГННПЦ им. М.В. Хруничева, актуально применение новых сплавов на основе алюминия с целью облегчения конструкций РН и повышения температуры эксплуатации, в том числе за счет экономнолегированных скандийсодержащий алюминиевых сплавов. В связи с этим магистральным направлением является получение изделий ракетно-космической техники (РКТ) из легких высокопрочных сплавов с использованием современных подходов проектирования и производства [1]. Аналогичный вектор развития наблюдается у производителей двигательных установок. (АО «НПО «Энергомаш», АО «КБХА») для различных ступеней РН, в частности замена стальных сопел на облегченные алюминиевые.

Развитие современного производства обуславливает все возрастающее внедрение наукоемких технологий [2].  Возможность реализации в производственном цикле современных аддитивных технологий (АТ) позволит обеспечить более эффективные технико-экономические показатели изготовления ДСЕ РКТ, в том числе из новых материалов, а также снизить массу изделий за счет оптимизации конструкции и получения сложной геометрии изделия. При этом, учитывая габариты элементов РКТ, чрезвычайно актуальным является освоение крупногабаритной печати (от 600 мм до 6000 мм) с применением технологий наплавки [3].

При переходе от исследовательских и экспериментальных работ к внедрению 3D-печати в производственный цикл встает ряд задач, без решения которых затруднительно использовать инновационные технологии в серийном изготовлении ДСЕ РКТ. К ним относятся выбор вида АТ и исходных материалов, их доступность, определение номенклатуры изделий для крупногабаритной печати, наличие нормативной базы, материаловедческие вопросы допустимости дефектов, свойственных 3D-печати.

В настоящий момент на отечественном рынке крупногабаритной печати одной из наиболее перспективных технологий высокоскоростного изготовления крупногабаритных изделий из порошковых материалов является прямое лазерное выращивание (ПЛВ) [4]. Метод предполагает формирование изделия из порошка, подаваемого сжатой газопорошковой струей непосредственно в зону лазерного излучения. Использование проволоки в качестве сырьевого материла позволяет значительно повысить производительность процесса и коэффициент использования материала по сравнению с порошковой наплавкой. При этом проволочные технологии отличает быстрота печати, но более низкая точность построения и высокая шероховатость получаемых поверхностей. Зачастую в цикле изготовления они требуют дополнительной постобработки для достижения точности геометрических размеров и шероховатости согласно требованиям чертежа. По типу источника энергии можно выделить технологии электронно-лучевой, лазерной, электродуговой и плазменной наплавки проволокой.

Актуальной проблемой является формирование нормативной базы, а именно разработка и утверждение стандартов качества для развития документооборота и последующего внедрения АТ. Отмечается недостаточность национальных стандартов технологических требований к проведению процессов 3D-печати и оборудованию для их реализации, а также средств метрологического обеспечения и контроля качества уже готовых изделий в виду слабой вовлеченности в развитие нормативной базы предприятий отрасли РКТ.

В настоящее время ключевое применение АТ для промышленного производства элементов РН на базе РКЦ «Прогресс» осуществляется в части получения крупногабаритных алюминиевых цилиндрических и конических обечаек баков ступеней РН, изготовления торо-сферических днищ алюминиевых топливных баков, погружных титановых шар-баллонов и межбаковых отсеков из конструкционных материалов. Разработки, реализованные АО «НПО Энергомаш» и АО «КБХА» включают в себя изготовление методом крупногабаритной 3D-печати крепежных элементов конструкций, ДСЕ и корпусных элементов ТНА, сопловых неохлаждаемых насадок и элементов ПГС систем ЖРД большой тяги, в частности, фланцев, трубопроводов. В случае работы со сплавами на основе алюминия необходимо исключить наличие свойственных им наплавочных дефектов, таких как трещины, газовые пористости, оксидные плены и инородные включения. Таким образом, разработка методик, позволяющих оценивать склонность сплавов к образованию дефектов в условиях аддитивного производства является важной материаловедческой задачей.

Литература
  1. Щицын Ю.Д., Кривоносова Е.А., Неулыбин С.Д., Ольшанская Т.В., Никулин Р.Г., Федосеева Е.М., Терентьева С.А. Использование плазменной наплавки для аддитивного формирования заготовок из алюминиевых сплавов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2019. Т. 21, № 2. С. 63–72. DOI: 10.15593/2224-9877/2019.2.08
  2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., МисюровА.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. С. 13.
  3. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2013. С. 221.
  4. Туричин Г.А., Климова О.Г., Земляков Е.В., Бабкин К.Д., Сомонов В.В. Технологические основы высокоскоростного прямого лазерного выращивания изделий методом гетерофазной порошковой металлургии // Фотоника. 2015. № 4 (52). С. 69.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.