УДК 338.012+
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АВИАКОСМИЧЕСКОМ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
, ,
Россия, г. Орел, Орловский государственный университет имени
Инновационные технологии аддитивного производства являются мировым трендом. Показаны важность и примеры их применения в авиакосмическом и энергетическом машиностроении, тактика крупных зарубежных компаний. Отмечается необходимость консолидации усилий всех разработчиков и потребителей аддитивных технологий.
Ключевые слова: инновации, аддитивные лазерные технологии, селективное лазерное сплавление,
лазерная наплавка, лопатка турбины.
Ученые и практики многих стран постоянно ищут новые инновационные технологические решения изготовления машин и механизмов, которые бы обеспечивали конкурентные преимущества их продукции на мировых рынках [1]. Для отечественной промышленности это тем более важно, так как приходится развиваться в условиях санкций, низких цен на углеводороды и ограниченных финансовых ограничениях [2].
Аддитивные технологии (АМ-технологии), суть которых заключается в послойном изготовлении (выращивании) изделий по цифровой трехмерной модели из порошка, проволоки, жидкости с последующим энергетическим воздействием на них, находят все большее применение в различных отраслях промышленности и видах деятельности человека [3-7]. Этому способствуют их уникальные возможности [7, 8]: проектирование деталей без ограничений трехмерной геометрии; использование бионического дизайна; консолидация отдельных элементов в одну деталь; снижение веса деталей; изготовление деталей без оснастки, сокращение сроков изготовления и затрат на производство нового изделия и изготовление прототипов, изготовление изделия в месте эксплуатации и др.
Реализация таких свойств особенно важно для авиационной и космической техники. Жесткая конкуренция на рынках авиационных перевозок, продажи авиационной техники, космических услугах, рост цен на авиатопливо вынуждают искать пути снижения издержек, как при изготовлении изделий, так и в процессе эксплуатации. Одними из них является снижение собственного веса летательных аппаратов: самолетов, вертолетов, спутников, ракет, беспилотников. Чем меньше вес аппарата, тем меньше расходы на горючее, тем выше полезная нагрузка и больше возможное время полета.
Каждый процент снижения веса обеспечивает 0,75% экономии топлива. При этом основная часть веса самолета с топливом составляет 80% (без веса пассажиров и багажа [9]. Поэтому основными резервами его снижения, в первую очередь, является использование облегченных конструктивных элементов, особенно, используя бионический дизайн.
В [10] приводится данные, что уменьшение массы пассажирского лайнера на 1 кг, дает экономию топлива до 100 кг при налете 2500 ч. Существенно можно снизить взлетный вес самолета за счет веса кресел. Например, уменьшение их веса на 1 кг дает в годовом исчислении для борта со 100 креслами снижение расхода топлива порядка 10 000 кг.
Одна из крупнейших авиастроительных компаний мира Airbus S. A.S., которая вместе с Boeing занимает более 90% мирового рынка гражданских самолетов, планирует снизить вес каждого самолета более чем на 1000 кг с помощью 3D-печати. Только замена одной переборки, отделяющей пассажирский салон от служебного, на сетчатую структуру с помощью 3D-печати из специального сплава снизило ее вес с 65 до 30 кг при сохранении высокой прочности и упругости. Массовое производство различных элементов самолёта по этой технологии запланировано на 2018 год [11]. Напомним, что в проекте A380-1000 запроектировано уже 1073 места с одним экономклассом или 757 мест в трех классах.
По этому же пути идет и компания Boeing. Она начинает 3D-печать титановых деталей самолета Boeing 787 Dreamliner, что обеспечит ей $340 млн. экономии при годовой программе выпуска 114 шт. В планах корпорации и печать новых космических спутников [12].
В мировом энергетическом машиностроении также все чаще используются аддитивные технологии.
Немецкие исследователи на основе сравнений лазерного сплавления - Laser Metal Fusion (LMF) и лазерной наплавки металлического порошка – Laser Metal Deposition (LMD) [13] установили, что для LMF характерна низкая скорость процесса, небольшие размеры изготавливаемых деталей, существенные ограничения в использовании различных материалов порошков в процессе изготовления детали, а LMD работает с более высокими скоростями, позволяет менять металлический порошок во время выращивания деталей, но имеет существенные ограничения по сложности их геометрической формы. На основании этого они предложили использовать одновременно обе технологии, но для различных участков детали: елочный замок выращивать по LMD, а рабочую часть лопатки – по LMF технологии. Применение такой комбинированной обработки позволило сократить время обработки на 60% - с 13,8 ч до 5,3 ч.
АМ-технологии позволяют выполнять изготавливать лопатки с каналами для охлаждения и ячеистой структуры, что значительно повышает их эксплуатационные свойства.
Siemens AG (Германия) - глобальная технологическая компания, одна из крупнейших мировых производителей энергосберегающих и ресурсосберегающих технологий, производитель и ведущий поставщик газовых и паровых турбин от 4 до 425 MВт, ветрогенераторов, крупный поставщик решений по передаче энергии, приобрела 85% акций в компании Materials Solutions Ltd., одного из мировых лидеров в области АМ-производства, пионера использования технологии селективного лазерного плавления (SLM) для производства высокоэффективных металлических деталей, чтобы обеспечить себе конкурентные преимущества на мировом рынке. Первые трехмерные изделия компании - печатные горелки для сверхмощной газовой турбины Siemens успешно эксплуатируется на электростанции в Брно, Чешская Республика [14]. Другим примером успешного применения АМ-технологий в компании служит трехмерная печать лопаток, которые были установлены в промышленной газовой турбине типа SGT-400 мощностью 13 МВт. Лопатки турбины были изготовлены из высокотемпературного, порошкообразного поликристаллического суперсплава на основе никеля и способны выдерживать высокие давления, экстремальные температуры и центробежные силы, возникающие во время работы турбины. Время разработки прототипа сократилось при этом на 90 %, а время от проектирования нового газотурбинного лезвия до его выпуска - с двух лет до двух месяцев. Ныне Siemens уже использует АМ технологии для изготовления многих запасных частей для своих железнодорожных транспортных средств [15].
Компания GE (General Electric) высоко оценила возможности трехмерной печати, считая, что она может дать наибольший экономический эффект в производстве критически нагруженных частей реактивных двигателей и газотурбинных установок. Для этого она приобрела две компании, обладающими ноу-хау, компетенциями и опытом в области АМ-производства и цифровых технологий. Планируется, что она будет ежегодно выпускать по 25000 сопел (по 10-20 сопел на двигатель) в течение 3 лет. При этом происходит экономия металла, сокращение издержек производства, облегчение деталей, а, в конечном счете, значительную экономию топлива для авиакомпаний и повышение их конкурентоспособности.
Другие ее дочерние компании: GE Power & Water, производящая большие газовые и ветровые турбины, и GE Healthcare подготовила перечень деталей и узлов для использования 3D-печати преобразователей - дорогих керамических зондов, используемых в ультразвуковых машинах. Такой подход обеспечил гибкость компании, возможность отказа от литья и механической обработки, разрабатывать совершенно новые формы без учета существующих производственных ограничений. Инженеры GE изучают возможности изготовления лопаток турбин из разных материалов так, что один конец оптимизирован по прочности, а другой - по термостойкости [16].
MC Machinery Systems Inc., полностью принадлежащая Mitsubishi Corporation, в которую входит 28 компаний, сообщила о разработке в партнерстве с Matsuura Machinery Corp., Fukui City, Japan нового гибридного фрезерного станка LUMEX Avance-25 и металлического лазерного спекания (3D SLS) и выводе его на североамериканский рынок [17]. Он считается единственным в мире, сочетающий традиционные высокоскоростные и аддитивные методы обработки на одном станке за одну установку. Обеспечивается не только сокращение времени обработки, но и наивысшая точность размеров.
Оригинальное решение нашли томские ученые. Они создали специализированное наноструктурное покрытие магниевых сплавов и технологию его нанесения, которое значительно увеличивает прочность планера летательного аппарата и обеспечивает возможность уменьшить его вес на 30% [18].
Лидером в области развития аддитивных технологий в России является ВИАМ, МГТУ им. , СПбГПУ, МГТУ «СТАНКИН», МИФИ, МАИ, СамГАУ, УрФУ, Росатом, предприятия ОПК, входящие в Ростех и др. Однако пока доля отечественной АМ-продукции на мировом рынке не превышает 1,5 %.
Выводы.
Аддитивные технологии являются технологическими приоритетами мировой и отечественной экономик, ключевым фактором обеспечения конкурентоспособности инновационной наукоемкой продукции, ярким воплощением новых энерго - и ресурсосберегающих концепций, катализатором новой технологической революции 21 века.
Энергетическая и авиационная промышленность представляет собой драйвер развития трехмерной печати деталей сложной геометрической формы, так как здесь проявляется наибольший технический и экономический эффекты.
Крупнейшие зарубежные компании интегрируют в свои структуры ведущие компании, обладающие компетенциями в области аддитивных технологий. Для того, чтобы не отстать от лидеров в этой области необходимо, на наш взгляд, консолидация материального, научного и человеческого потенциалов, объединение усилий РАН, вузов и предприятий в области создания АМ-техники, технологий, материалов и подготовки кадров.
Список литературы
1. Степанова, технологии в инновационной экономике / , // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2007. № 3. С. 156-167.
2. Степанова, ограничения США и ЕС как стимул к развитию наукоемких и высокотехнологичных секторов экономики / // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. № 3 (305). С. 96-103.
3. Степанова, технологии как прорывные инновации ресурсосбережения 21 века / // Энерго - и ресурсосбережение-XXI век: XIII междунар. науч.-практ. Интернет-конф. (15 марта-30 июня 2015 г., г. Орел). Орел: Госуниверситет-УНПК, 2015. С. 124-128.
4. Степанова, применения 3D-инноваций в автомобильной промышленности /, , // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. №1(49). С. 60-66.
5. Степанова, технологии - технологические приоритеты мировой и отече-ственной экономики / , // Новые решения в области упрочняющих технологий: взгляд молодых специалистов: сборник научных статей. Материалы международной научно-практической конференции. Юго-Западный государственный университет. 2016. С. 291-294.
6. Степанова, технологии нового поколения формообразования простран-ственно-сложных поверхностей наукоемких изделий / , , // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 8-2. С. 243-249.
7. Степанова, аддитивных технологий на экономику наукоемких отраслей промышленности: роль многоуровневых интегрированных компаний / // Экономические и гуманитарные науки. 2016. №1 (288). С. 54-64.
8. Довбыш, технологии и изделия из металла / , , . - Режим доступа: http://nami. ru/upload/AT_metall. pdf (дата обращения 04.05.2017).
9. http://www. nanonewsnet. ru/articles/2014/passazhiry-samoletov-budushchego-budut-naslazhdat-sya-panoramnymi-vidami (дата обращения 05.05.2017).
10. Белкин, В. А. К проблеме повышения топливной эффективности гражданских самолетов / // Научный вестник МГТУ ГА. – 2015. № 000. С. 121-126.
11. http://proektoria. online/projects/snizhenie-obshhej-massy-samoleta (дата обращения 05.05.2017).
12. Boeing начнет печать титановых деталей для самолетов на 3D принтере. http://incrussia. ru/news/boeing-nachnet-pechat-titanovykh-detaley-dlya-samoletov-na-3d-printere.
13 Комбинированные лазерные аддитивные технологии производства лопаток турбин сложной геометрической формы / Б. Граф, , М. Ретмайер // Глобальная ядерная безопасность. 2016. №3(20). С. 34–42.
14 Siemens strengthens footprint in Additive Manufacturing. - https://www. /press/ en/pressrelease/2016/power-gas/pr2016080358pgen. htm (дата обращения 05.05.2017).
15. Breakthrough with 3D printed Gas Turbine Blades. https://www. /inno-vation/en/home/pictures-of-the-future/industry-and-automation/additive-manufacturing-3d-printed-gas-tur-bine-blades. html (дата обращения 05.05.2017)..
16 Martin LaMonica. GE, the world's largest manufacturer, is on the verge of using 3-D printing to make jet parts // MIT Technology Rewiew. https://www. /s/513716/additive-manu-facturing/ (дата обращения 05.05.2017). .
17. http://www. /articles/2014/01/mitsubishi-moves-into-laser-additive-manu-facturing-with-matsuura-partnership. html (дата обращения 05.05.2017). .
18. https://www. aex. ru/news/2017/3/16/167430/ (дата обращения 05.05.2017).
, канд. эконом. наук, доцент кафедры ГиМУ, Орловский государственный университет, Россия, г. Орел, Комсомольская, 95, , е-mail: *****@***ru
, д-р. техн. наук, профессор кафедры КТОМП, Орловский государственный университет, Россия, г. Орел, Комсомольская, 95, , е-mail: *****@***ru
, д-р техн. наук, профессор, Орловский государственный университет,
302026, г. Орел, Комсомольская, 95, , е-mail: *****@***ru
_______________________________________________________________________________________
ADDITIVE TECHNOLOGIES IN AEROSPACE AND POWER
MECHANICAL ENGINEERING
Stepanova E. Yu., Burnashov M. A., Stepanov Yu. S.
Russia, Orel, Orel State University
Innovative additive production technologies are a world trend. The importance and examples of their application in aerospace and power engineering, tactics of large foreign companies are shown. There is a need to consolidate the efforts of all developers and consumers of additive technologies.
Keywords: innovation, additive manufacturing; laser metal fusion; laser metal deposition; turbine blade.
Bibliography
1. Stepanova, E. Ju. Vysokie tehnologii v innovacionnoj jekonomike / E. Ju. Stepanova, L. I. Polandova // Fundamental'nye i prikladnye problemy tehniki i tehnologii. 2007. № 3. S. 156-167.
2. Stepanova, E. Ju. Jeksportnye ogranichenija SShA i ES kak stimul k razvitiju naukoemkih i vysokotehnologichnyh sektorov jekonomiki / E. Ju. Stepanova // Fundamental'nye i prikladnye problemy tehniki i tehnologii. 2014. № 3 (305). S. 96-103.
3. Stepanova, E. Ju. Additivnye tehnologii kak proryvnye innovacii resursosberezhenija 21 veka / E. Ju. Stepanova // Jenergo - i resursosberezhenie-XXI vek: XIII mezhdunar. nauch.-prakt. Internet-konf. (15 marta-30 ijunja 2015 g., g. Orel). Orel: Gosuniversitet-UNPK, 2015. S. 124-128.
4. Stepanova, E. Ju. Perspektivy primenenija 3D-innovacij v avtomobil'noj promyshlennosti /E. Ju. Stepanova, G. V. Barsukov, E. A. Zbinjakova // Vestnik Brjanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2016. №1(49). S. 60-66.
5. Stepanova, E. Ju. Additivnye tehnologii - tehnologicheskie prioritety mirovoj i oteche-stvennoj jekonomiki / E. Ju. Stepanova, G. V. Barsukov // Novye reshenija v oblasti uprochnjajushhih tehnologij: vzgljad molodyh specialistov: sbornik nauchnyh statej. Materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Jugo-Zapadnyj gosudarstvennyj universitet. 2016. S. 291-294.
6. Stepanova, E. Ju. Proryvnye tehnologii novogo pokolenija formoobrazovanija prostran-stvenno-slozhnyh poverhnostej naukoemkih izdelij / E. Ju. Stepanova, G. V. Barsukov, Ju. S. Stepanov // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2016. № 8-2. S. 243-249.
7. Stepanova, E. Ju. Vlijanie additivnyh tehnologij na jekonomiku naukoemkih otraslej promyshlennosti: rol' mnogourovnevyh integrirovannyh kompanij / E. Ju. Stepanova // Jekonomicheskie i gumanitarnye nauki. 2016. №1 (288). S. 54-64.
8. Dovbysh, V. M. Additivnye tehnologii i izdelija iz metalla / V. M. Dovbysh, P. V. Zabed-nov, M. A. Zlenko. - Rezhim dostupa: http://nami. ru/upload/AT_metall. pdf (data obrashhenija 04.05.2017).
9. http://www. nanonewsnet. ru/articles/2014/passazhiry-samoletov-budushchego-budut-naslazhdat-sya-panoramnymi-vidami (data obrashhenija 05.05.2017).
10. Belkin, V. A. K probleme povyshenija toplivnoj jeffektivnosti grazhdanskih samoletov /V. A. Belkin // Nauchnyj vestnik MGTU GA. – 2015. № 000. S. 121-126.
11. http://proektoria. online/projects/snizhenie-obshhej-massy-samoleta (data obrashhenija 05.05.2017).
12. Boeing nachnet pechat' titanovyh detalej dlja samoletov na 3D printere. http://incrussia. ru/news/boeing-nachnet-pechat-titanovykh-detaley-dlya-samoletov-na-3d-printere.
13 Kombinirovannye lazernye additivnye tehnologii proizvodstva lopatok turbin slozh-noj geometricheskoj formy / B. Graf, S. Je. Gook, A. V. Gumenjuk, M. Retmajer // Global'naja jadernaja bezopasnost'. 2016. №3(20). S. 34–42.
14 Siemens strengthens footprint in Additive Manufacturing. - https://www. /press/ en/pressrelease/2016/power-gas/pr2016080358pgen. htm (data obrashhenija 05.05.2017).
15. Breakthrough with 3D printed Gas Turbine Blades. https://www. /inno-vation/en/home/pictures-of-the-future/industry-and-automation/additive-manufacturing-3d-printed-gas-tur-bine-blades. html (data obrashhenija 05.05.2017)..
16 Martin LaMonica. GE, the world's largest manufacturer, is on the verge of using 3-D printing to make jet parts // MIT Technology Rewiew. https://www. /s/513716/additive-manu-facturing/ (data obrashhenija 05.05.2017). .
17. http://www. /articles/2014/01/mitsubishi-moves-into-laser-additive-manu-facturing-with-matsuura-partnership. html (data obrashhenija 05.05.2017). .
18. https://www. aex. ru/news/2017/3/16/167430/ (data obrashhenija 05.05.2017).
Stepanova Elena Yurievna, candidate of Economic Sciences, Associate Professor, Orel State University
302026, Russia, Orel, Komsomolskaya str., 95, Теl.: 8 906 660 11 44, е-mail: *****@***ru
Burnashov Michael Anatolyevich, Doctor of Technical Science, Associate Professor, Orel State University,
302026, Russia, Orel, Komsomolskaya str., 95, Теl.: 8 4862 423337, е-mail: *****@***ru
Stepanov Yury Sergeevich, Doctor of Technical Science, Professor Orel State University, 302026, Russia, Orel, Komsomolskaya str., 95,Теl.: 89192093790, E-mail: *****@***ru
