Аддитивные технологии, как наиболее перспективное направление быстрого развития науки и технологий (стр. 2 )

В части изготовления оборудования разработки ведутся, но они пока на самом начальном уровне. Следует отметить, что Минпромторгом РФ станкопрому была поставлена соответствующая задача о том, чтобы ускорить разработки в этом направлении и скоординировать все работы на создание оборудования для аддитивного производства.

[00:15:18]

В части обеспечения квалифицированными кадрами, в настоящее время отсутствуют в необходимом количестве квалифицированные кадры, которые специализировались бы в области аддитивных технологий, в области программного обеспечения для аддитивных технологий. Это всё-таки технологии нового поколения, здесь нужны новые подходы в части подготовки квалифицированных кадров.

Ключевой вопрос, как отметил Евгений Николаевич, это отсутствие нормативной документации. Сейчас нет системы национального стандарта. Мы предлагаем для обеспечения создания системы национальных стандартов поддержать создание на базе нашего института национального технического комитета по аддитивным технологиям, что позволило бы достаточно четко и быстро скоординировать работу в области разработки национальных стандартов по аддитивным технологиям.

Говоря об аддитивном производстве, следует отметить пять составляющих аддитивного производства. Первая – материалы и технологии получения порошковых композиций заданного параметрического состава. Это относится как к металлическим, так и к неметаллическим материалам.

Следующая составляющая – технологии синтеза деталей. Сюда входят и разработки математических моделей, бионический дизайн, конструирование поддержек и отработка самих технологических параметров синтеза.

Далее следуют технологии термической обработки, чтобы обеспечить механические характеристики. Сюда же входит неразрушающий контроль.

Одна из основных составляющих – это квалификация материала. Это проведение общей специальной квалификации изделий, синтезированных с помощью аддитивных технологий. Это разработка методик, проведение механических испытаний, разработка самой системы квалификации синтезированных материалов.

Последнее – передача технологии в серийное производство с полным комплектом нормативной документации, и обеспечение авторского контроля при внедрении этих технологий. Сюда же входит испытание на изделия деталей, полученных по аддитивным технологиям.

Основное – это порошки, металлопорошковые композиции. Мы разработали основные требования к металлопорошковым композициям для аддитивного производства. Они включают в себе гранометрический [00:17:56] состав металлопорошковых композиций. Это определение верхней и нижней границы для получения оптимальных характеристик. Также это фракционный состав, распределение частиц внутри обозначенных границ.

Также это морфология получаемых гранул, они должны иметь сферическую форму, минимально допустимое количество дефектов, сателлитов или других дефектов гранул.

Химический состав. Гранулы должны содержать минимальное количество газовых примесей и примесей вообще. Это обеспечение идеально чистого материала.

Технологические свойства – текучесть материала. Как уже было показано, и мы теперь четко понимаем, что с этой характеристикой связано качество будущего изделия. В процессе синтеза текучесть играет существенную роль. Если материал не обладает текучестью в определенном интервале, то изделие может просто не получиться.

Также насыпная плотность, отсутствие пористости. Эти ключевые характеристики обеспечивают качество будущей детали.

Сформулировав эти требования, в настоящее время у нас организовано серийное производство сверхчистых сферических порошковых композиций, никелевых сплавов, и специальных высокопрочных сталей. Начинали мы с изготовления порошковых припоев. Это восстановленное производство. В годы перестройки оно было утеряно в РФ.

Когда мы поняли, что существует необходимость изготовления металлопорошковых композиция для аддитивных технологий, мы отработали технологию и в настоящее время свыше 25 марок металлопорошковых композиций можем серийно выпускать.

Также освоено производство высококачественных порошков, высокопрочных алюминиев и сплавов. Этого нет даже в мировой практике, потому что в основном это порошковые композиции, которые отработаны в мире, так называемые силумины, это низкопрочные литейные алюминиевые сплавы, они значительно легче в процессе изготовления порошка. Наше достижение – отработка технологии и изготовление порошковой композиции, высокопрочных алюминиевых сплавов.

[00:20:25]

Слайд демонстрирует какие-то этапы порошковой композиции, и для кого мы поставляем. Мы широко взаимодействуем, это не только авиационная отрасль, но и наши традиционные партнеры – "Авиадвигатель", "Сатурн", Пермский моторный завод и "Теплообменник", для которого мы поставляем металлопорошковые композиции и порошковые припои.

Таким образом, подытожив то, что сказано ранее, сейчас в институте создано аддитивное производство замкнутого цикла. Это производство включает в себя выплавку исходных компонентов, подготовку так называемых слитков под распыление, производство самих порошковых композиций, рассев, газодинамическая сепарация порошков, разработка 3D-моделей, моделирование поддержек, генерация слоёв, отработка технологий синтеза, горячее изостатическое прессование, термическая обработка, контроль качества получаемых изделий. И разработка всей нормативно-технической документации, имеются в виду технологические инструкции, технические условия на исходные материалы и технические условия на деталь совместно с разработчиком.

Технологический процесс изготовления детали по технологии селективного лазерного сплавления показан на примере детали, которую мы отрабатывали совместно с "Авиадвигателем". Весь цикл включает в себя разработку математической модели, это то, что представляет конструктор. Далее мы её дорабатываем с учетом специфики аддитивного производства, аддитивных технологий с соответствующим построением поддержек. Далее получение металлопорошковых композиций с заданными требованиями, чтобы обеспечить качество получаемых изделий. Разработка технологий выращивания деталей с заданной геометрией, которые включают в себя отработку технологий синтеза. Это генерация слоёв, расчет количества слоёв, расчет скорости сканирования, шага сканирования, мощности лазерного луча, весь комплекс технологических характеристик обеспечивает качество получаемых деталей.

Далее газостатическая, термическая обработка, контроль механических характеристик, и финишная обработка – контроль геометрии и испытания. Как правило, мы делаем это на предприятии-изготовителе. Это часть изготовления деталей завихрителя, это делают наши партнеры "Авиадвигатель".

В целом надо отметить, что цикл изготовления деталей по аддитивным технологиям в среднем в 10 раз более короткий, нежели изготовление деталей по традиционным технологиям.

Говоря об оценке качества синтезируемых деталей, хотелось бы показать, каких характеристик удалось достичь. Мы получили практически 30 % прирост по прочностным характеристикам, включая характеристики длительной прочности, которые показаны на слайде. По пластичности мы получили практически в 4 раза большую пластичность в отличие от традиционной литейной технологии.

На слайде приведен цикл изготовления деталей по традиционной технологии. Это деталь завихрителя, первая деталь, которая встала на выявленную машину. Это двигатель ПД-14, в настоящее время прошла все испытания на земле и готовится к испытанию в составе летающей лаборатории.

Расчет технологического цикла позволяет сказать, что ровно в 10 раз быстрее изготовлена деталь по аддитивным технологиям.

Ключевым моментом является тот факт, что детали получаются практически одинаковые по геометрии. Одна деталь не отличается от другой, в отличие от литейной технологии. Там не удается обеспечить геометрию, технологию литья, в любом случае обеспечивается определенный разброс, и конструктору приходится подбирать, чтобы получить определенный расход газовоздушной смеси в камере сгорания, необходимо подбирать по расходам каждого завихрителя.

Аддитивные технологии позволяют уйти от этого и обеспечить геометрическое подобие всех деталей.

Следующая деталь, технология которой была отработана, это также деталь малонанесенной камеры сгорания, это деталь стабилизатора. В данном случае технологический цикл так же по сравнению с литьем в 7 раз меньше, чем по технологии литья. Хотела бы отметить, что мы не берем в расчет подготовку производства. То есть подготовка производства остается за кадром. Если её посчитаем, то получим экономию по времени где-то до 30 раз.

[00:25:19]

В настоящее время мы работаем с новым классом материалов. Это (нрзб.) [00:25:25] сплавы, сплавы, обладающие очень низкой пластичностью. Они являются очень проблемными в литье. Сложно получить изделие без трещин, без литейных дефектов, и обеспечить структуру в различных сечениях, чтобы получить оптимальные механические характеристики. Это детали сплава ВКН 4 ВР [00:25:48] отработка технологии направлена на получение плотной структуры без пор и трещин, то есть отрабатывание центрального позиционирования детали, чтобы обеспечить оптимальную геометрию.

Нельзя сказать, что в литье толстым сечением мы получаем неблагоприятную структуру в литье, потому что сплав достаточно сложный для литья, он обладает низкотехнологической пластичностью. Мы получаем карбидные "усы", очень протяженные, что негативно сказывается на механических характеристиках. Мы получаем и (нрзб.) [00:26:20] молибдена, которые также, выделяясь, снижают ресурсные характеристики, снижают пластические характеристики материала.

Аддитивные технологии в данном случае позволяют за счет того, что в процессе синтеза скорость охлаждения очень высокая, мы получаем за счет диспергирования структуры исходных гранул и высоких скоростей кристаллизации формирование очень однородной структуры как в массивных, так и в тонких частях детали. Получаем лабиринтное строение карбида и кубоидные карбиды. И что характерно, мы получаем за счет высокой скорости охлаждения выделение так называемых коричневой гамма-штрих упрощающей фазы, что обеспечивает повышение механических характеристик.

Ключевым моментом для внедрения аддитивных технологий является неразрушающий контроль. В настоящее время один из методов, и пожалуй единственный, который применяется в настоящее время, это компьютерная томография. Как известно, она не дает выявляемости очень плотных протяженных дефектов, там есть свои нюансы. Мы считаем, что будущее здесь за неразрушающим ультразвуковым контролем. В этом плане научно-учебный центр "Сварка и контроль" занимается разработкой новых методов неразрушающего контроля с применением новых типов ультразвуковых волн, ультразвукового воздействия.