Вырастить детали помогут лазер и "цифра"

Что задумали

Ученые из Самарского университета имени Королева расширяют сотрудничество с индустриальными партнерами - высокотехнологичными производственными и инжиниринговыми центрами аэрокосмического сектора. Среди них есть предприятия, входящие в структуру корпораций "Роскосмос" и "Ростех". На региональном уровне исследователи из Самарского университета сотрудничают с заводами "РКЦ "Прогресс", "ОДК-Кузнецов", "Авиакор - Авиационный завод", АВТОВАЗ и другими.

Для индустриальных партнеров университет разрабатывает инновационные технологии. Например, одну из них завершили в прошлом году. Для "ОДК-Кузнецов" самарские ученые подготовили комплексную технологию аддитивного производства деталей и узлов горячей части газотурбинных двигателей.

Технологию для крупного промышленного заказчика придумали и протестировали в Институте двигателей и энергетических установок университета. Работа заняла три года.

В состав разработки вошли процессы селективного лазерного сплавления, прямого лазерного выращивания, а также термической и механической обработки. Ученые отработали технологию на пяти видах деталей малоэмиссионной камеры сгорания: горелочное устройство, наружный и внутренний кожухи камеры сгорания, а также наружное и внутреннее кольца аппарата закрутки. Выбор неслучаен: сейчас конструкторы заняты модернизацией камеры сгорания, чтобы повысить экологичность двигателей.

- Мы занимались не только отработкой технологических процессов. Одновременно создавали интеллектуальную систему конструкторско-технологической подготовки производства на базе программы управления инженерными данными "Лоцман: PLM". С помощью цифровых технологий она увязывает воедино все стадии создания изделия - от замысла конструктора до его воплощения в металле, - рассказал директор Института двигателей и энергетических установок Виталий Смелов. - Иными словами, от этапа его конструктивной проработки до получения готовых деталей на промышленных аддитивных установках непосредственно в цехе предприятия. Также мы разработали методику цифровой организационной конструкторско-технологической подготовки аддитивного производства. Все эти разработки сейчас передали индустриальному партнеру, который уже их внедрил в производство.

Как работает

На предприятии уже развернули производство деталей и узлов по университетской технологии. Чтобы воспользоваться ею сполна, "прокачали" установку прямого лазерного выращивания.

- С помощью новой цифровой методики заводские конструкторы и технологи могут разработать процесс 3D-печати для любого изделия. В частности, задать геометрические формы, подобрать оптимальные режимы сплавления, оценить характеристики материала в готовой детали, - рассказал генеральный конструктор "ОДК-Кузнецов" Павел Чупин. - Применение аддитивных технологий в сочетании с интеллектуальной системой позволяет сократить сроки подготовки производства и изготовления деталей.

Иными словами, разработка самарских ученых сделала процесс производства более эффективным, ускорила его и уменьшила издержки.

- Изготовление изделий с помощью традиционных технологий - штамповки, резания, сварки, как правило, требует специализированной оснастки, нередко дорогостоящей. Причем на ее проектирование и изготовление уходит немало времени, - пояснила доцент кафедры технологии производства двигателей Самарского университета Виктория Кокарева. - 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 преимущества аддитивных технологий проявляются в полной мере.

Созданное на "ОДК-Кузнецов" комплексное высокотехнологичное производство обеспечивает высокий коэффициент использования материала - более 70 %. Выход годной продукции по металлу составляет не менее 95 %.

В чем выгода

Внедрение разработок Самарского университета в производство сулит двигателестроителям немалый эффект. И перед вузом такое взаимодействие открывает новые возможности, в частности, приобрести на средства проекта новые аддитивные установки. Они похожи на те, которыми оснащены производственные участки "ОДК-Кузнецов". Разница лишь в размерах: университетские несколько меньше заводских.

- К началу проекта мы уже умели выращивать изделия средних габаритов с помощью технологии селективного лазерного сплавления. Появление установок с более мощными лазерами, которые работают с порошками более крупных фракций, вывело нас на печать изделий размером свыше метра, - рассказал инженер Инжинирингового центра Самарского университета Андрей Балякин. - В партнерстве с компанией "ИЛИСТ", чью установку мы используем, нам удалось существенно нарастить компетенции в области технологий прямого лазерного выращивания. В частности, испытания показали, что механические свойства наших изделий из порошка жаропрочного сплава ЭП648 соответствуют свойствам образцов, полученных из проката той же марки.

Получается, изделие, созданное по новой лазерной технологии, ничуть не уступает по своим характеристикам изделию, которое можно изготовить традиционным путем. Размер и мощность установок имеют значение: теперь вуз способен помочь производственникам и научной мыслью, и участием в выполнении заказов.

- Аддитивные установки М-350 и "ИЛИСТ", которые появились в наших лабораториях 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 Смелов.

К тому же новые аддитивные установки, которые недавно появились в вузе, активно задействуют в учебном процессе.

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

В состав комплексной технологии аддитивного производства деталей и узлов горячей части индустриальных газотурбинных двигателей входят технологические процессы:
- селективного лазерного сплавления,
- прямого лазерного выращивания,
- термообработки,
- механической обработки.

Двигатели станут чище

На "ОДК-­Кузнецов" модернизируют наземные промышленные газотурбинные установки. Чтобы сделать их экологичнее, разрабатывают малоэмиссионную камеру сгорания. Ее компоненты нужно изготовить, собрать обновленный двигатель, испытать его, и таких циклов может быть несколько. Каждый раз конструкторы меняют форму деталей, и для их изготовления нужны уже другие штампы и прочая оснастка. Долго и дорого.

Разработки Самарского университета имени Королева позволяют обойтись без спецоснастки: детали проектируют в цифровой среде и выращивают сразу в нужной конфигурации.