eng
Выпуск #1/2016
Р.Фасхутдинов, С.Червонных, Н.Труфанов
Аддитивные технологии в производстве авиационных двигателей
Аддитивные технологии в производстве авиационных двигателей
Просмотры: 4840
Аддитивные технологии позволяют создавать технические объекты облегченной конструкции с уникальными физико-механическими свойствами. Но нелинейная природа деформаций и разрушений ведет к необходимости создания иерархически организованных материалов. Сообщается о результатах разработки мезомасштабного и многоуровневого моделирования процесса селективного лазерного сплавления (SLM) изделий, устойчивых к циклическим термоударным нагрузкам.
Теги: additive technologies hierarchically organized materials selective laser melting аддитивные технологии иерархически организованные материалы селективное лазерное сплавление
С
нижение веса газотурбинного двигателя (ГТД) направлено на экономию топлива и снижение вредных выбросов при эксплуатации будущих изделий. Одной из основных задач, решаемых в аэрокосмической промышленности, является проектирование деталей ГТД с меньшей массой при сохранении их функциональности и физико-механических свойств. Современное программное обеспечение позволяет оптимизировать геометрию детали, что приводит к эффективному сокращению ее массы [1]. Но использовать методы оптимизации в традиционном производстве ГТД иногда нецелесообразно. Причина в том, что создание изделий сложной геометрии требует больших трудозатрат и материальных вложений.
Технология селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting, SLM) позволяет получить сложную конструкцию за один этап, а многосложность конструктивных элементов не влияет на себестоимость изделия [2–4]. При этом производство изделий, спроектированных для изготовления по "традиционной" технологии, снижает эффективность применения аддитивных методов из-за завышенного использования материала. Получается, что облегченные детали не только улучшают характеристики ГТД, но и повышают производительность аддитивной технологии.
Несмотря на декларируемое преимущество аддитивных технологий, в SLM-технологии возникают те же трудности, что и в литейных процессах – коробление и остаточные напряжения. Высокоточное послойное производство деталей сложной внешней и внутренней геометрии, величина подобных дефектов при изготовлении современных деталей авиационных двигателей требует проведения предварительной натурной отработки технологии, выбора определенного расположения детали в установке, проектирования системы дополнительных поддержек, выбора технологического режима с целью минимизации дефектов.
Численное моделирование технологического SLM-процесса (рис.1) представляет значительный интерес и является потенциальным резервом повышения качества изделий, получаемых по аддитивным технологиям и, как следствие, возможностью внедрения технологии получения деталей с максимально эффективной геометрией. Прогнозирование на математических моделях остаточных напряжений и коробления [5] в процессе производства имеет огромное значение для оптимизации технологических режимов изготовления деталей, разработки опорных технологических конструкций (поддержек), минимизации дефектов и повышения качества изготовления сложных деталей авиационного двигателя.
Сегодня на ОАО "Авиадвигатель" создается рабочая группа по организации аддитивного производства, объединяющая усилия специалистов разных направлений в выработке сквозного цикла проектирования облегченных деталей.
Ведется разработка и внедрение новой, основанной на численном моделировании, методики технологической подготовки производства деталей газотурбинных двигателей для установок послойного сплавления из металлических порошковых материалов, позволяющих проводить отработку технологического процесса на математических моделях.
Создаваемая цепочка аддитивного производства деталей позволит снизить массу двигателя минимум на 30%. Использование технологии селективного лазерного сплавления даст возможность сократить номенклатуру деталей и уменьшить количество технологических переходов при их производстве, то есть повысить надежность ГТД.
Литература
1. Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology Optimization: Theory, Methods and Application. 2-nd ed. – Berlin: Springer, 2003.
2. Trimble S. Additive manufacturing: Value added. GE Aviation is leading the way in the new world of additive manufacturing. – Flight International, 2013, v. 183, № 5393, p. 34–35.
3. Ford S. Additive Manufacturing Technology: Potential Implications for U.S. Manufacturing Competitiveness. – Journal of International Commerce & Economics; September 2014, p. 1–35.
4. Hoeveler P. Gearing up on record time. – MTU Aero Engines Report, 2013, v. 1, p. 6–11.
5. Ibiye A. Roberts et al. Experimental and Numerical Analysis of Residual Stresses in Additive Layer Manufacturing by Laser Melting of Metal Powders. – Key Engineering Materials, 2011, v. 450, p. 461–465.
нижение веса газотурбинного двигателя (ГТД) направлено на экономию топлива и снижение вредных выбросов при эксплуатации будущих изделий. Одной из основных задач, решаемых в аэрокосмической промышленности, является проектирование деталей ГТД с меньшей массой при сохранении их функциональности и физико-механических свойств. Современное программное обеспечение позволяет оптимизировать геометрию детали, что приводит к эффективному сокращению ее массы [1]. Но использовать методы оптимизации в традиционном производстве ГТД иногда нецелесообразно. Причина в том, что создание изделий сложной геометрии требует больших трудозатрат и материальных вложений.
Технология селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting, SLM) позволяет получить сложную конструкцию за один этап, а многосложность конструктивных элементов не влияет на себестоимость изделия [2–4]. При этом производство изделий, спроектированных для изготовления по "традиционной" технологии, снижает эффективность применения аддитивных методов из-за завышенного использования материала. Получается, что облегченные детали не только улучшают характеристики ГТД, но и повышают производительность аддитивной технологии.
Несмотря на декларируемое преимущество аддитивных технологий, в SLM-технологии возникают те же трудности, что и в литейных процессах – коробление и остаточные напряжения. Высокоточное послойное производство деталей сложной внешней и внутренней геометрии, величина подобных дефектов при изготовлении современных деталей авиационных двигателей требует проведения предварительной натурной отработки технологии, выбора определенного расположения детали в установке, проектирования системы дополнительных поддержек, выбора технологического режима с целью минимизации дефектов.
Численное моделирование технологического SLM-процесса (рис.1) представляет значительный интерес и является потенциальным резервом повышения качества изделий, получаемых по аддитивным технологиям и, как следствие, возможностью внедрения технологии получения деталей с максимально эффективной геометрией. Прогнозирование на математических моделях остаточных напряжений и коробления [5] в процессе производства имеет огромное значение для оптимизации технологических режимов изготовления деталей, разработки опорных технологических конструкций (поддержек), минимизации дефектов и повышения качества изготовления сложных деталей авиационного двигателя.
Сегодня на ОАО "Авиадвигатель" создается рабочая группа по организации аддитивного производства, объединяющая усилия специалистов разных направлений в выработке сквозного цикла проектирования облегченных деталей.
Ведется разработка и внедрение новой, основанной на численном моделировании, методики технологической подготовки производства деталей газотурбинных двигателей для установок послойного сплавления из металлических порошковых материалов, позволяющих проводить отработку технологического процесса на математических моделях.
Создаваемая цепочка аддитивного производства деталей позволит снизить массу двигателя минимум на 30%. Использование технологии селективного лазерного сплавления даст возможность сократить номенклатуру деталей и уменьшить количество технологических переходов при их производстве, то есть повысить надежность ГТД.
Литература
1. Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology Optimization: Theory, Methods and Application. 2-nd ed. – Berlin: Springer, 2003.
2. Trimble S. Additive manufacturing: Value added. GE Aviation is leading the way in the new world of additive manufacturing. – Flight International, 2013, v. 183, № 5393, p. 34–35.
3. Ford S. Additive Manufacturing Technology: Potential Implications for U.S. Manufacturing Competitiveness. – Journal of International Commerce & Economics; September 2014, p. 1–35.
4. Hoeveler P. Gearing up on record time. – MTU Aero Engines Report, 2013, v. 1, p. 6–11.
5. Ibiye A. Roberts et al. Experimental and Numerical Analysis of Residual Stresses in Additive Layer Manufacturing by Laser Melting of Metal Powders. – Key Engineering Materials, 2011, v. 450, p. 461–465.
Отзывы читателей
