Промышленные применения AT & 3D решений для профессионалов

3D-печать в производстве ракетно-космической техники

06.12.2021 Время чтения: 13 мин.
Сложность:
29 0 7

Введение

Без применения современных технологий и методов производства невозможно представить развитие ракетно-космической техники. Создание транспортного корабля нового поколения «Федерация», научно-энергетического модуля, разработка и изготовление спутников различного назначения, других перспективных изделий — такие задачи стоят перед головным предприятием по изготовлению ракетно-космической техники РКК «Энергия». Для их решения требуется внедрение и развитие принципиально новых технологических методов [1].
В этой связи особый интерес вызывает применение технологий аддитивного производства, или 3D-печати, когда изделие создается при помощи послойного добавления материала различными способами по данным трехмерной электронной модели. Это может быть наплавление или напыление металлического порошка, жидкого полимера или композитного материала. Источником энергии в зависимости от материала может служить лазерный луч, электронный луч или сопло с резистивными нагревателями.
Совсем недавно технология 3D-печати не имела практического применения в промышленности, однако бурное развитие аддитивных технологий в последние несколько лет показало, что их использование не только допустимо, а зачастую существенно выгоднее традиционных методов производства. Ведущие отечественные и зарубежные компании в области аэрокосмической техники проявляют интерес к технологии создания трехмерных объектов, проводят научные исследования, разрабатывают оборудование, открывают научные и производственные центры. В том числе работы ведутся и в направлении производства элементов ракетных двигателей.

Камера сгорания

Одним из примеров применения аддитивных технологий в области ракетно-космической техники служит разработанная специалистами РКК «Энергия» и изготовленная совместно с сотрудниками Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого камера сгорания ракетного двигателя (рис. 1) [2]. Камера сгорания — один из ключевых элементов жидкостного ракетного двигателя, работающий при экстремально высоких температурах. Для предотвращения теплового разрушения камеру изготавливают из жаропрочной бронзы с внутренней системой каналов для циркуляции охлаждающей среды.


Рис. 1. Полноразмерный образец внутренней оболочки камеры сгорания из жаропрочного бронзового сплава

Применение аддитивных технологий позволило не только более чем в два раза сократить цикл изготовления конечного изделия по сравнению с традиционными методами производства, такими как механическая обработка и пайка, но и изготовить камеру сгорания с системой охлаждающих каналов совершенно уникальной конфигурации, выполнение которой в рамках стандартной технологии невозможно. В настоящее время данная разработка проходит испытания и сертификацию.

Детали из полимерного пластика

Еще одно из направлений развития аддитивных технологий — это область быстрого прототипирования. Поскольку производство изделий ракетно-космической техники является единичным, важную роль в их создании занимает конструкторско-технологическая подготовка производства [3]. Благодаря появлению 3D-печати для изготовления моделей, макетов и прототипов возможно использование метода послойного выращивания из полимерных материалов.
Так как выращивание происходит по разработанной конструктором электронной трехмерной модели, из технологического цикла исключается необходимость выпуска конструкторской документации и изготовления инструментальной оснастки, что значительно ускоряет и удешевляет подготовку производства. Кроме того, еще одно важное преимущество 3D-печати — возможность оперативного внесения изменения в конструкцию. Конструктору достаточно изменить модель, и его идея будет сразу же реализована при печати в материале. В будущем применение печати из полимерного пластика также возможно для производства приборов, элементов интерьера летательных космических аппаратов, ненагруженных деталях конструкции (рис. 2, 3).

Рис. 2. 3D-модель и выращенные элементы конструкции наземной испытательной установки

Рис. 3. Гидромакет малогабаритного спутника, выращенный методом селективного лазерного спекания

Недостатки и ограничения

Как и у других методов производства, у аддитивных технологий есть вопросы, которые в настоящее время еще не решены. Во‑первых, это небольшой выбор металлических порошковых материалов. Все их составы соответствуют европейским стандартам и нормативам. Изготовление же порошка заданного состава нерентабельно и имеет смысл только при больших объемах, поэтому применять их в летных изделиях российского производства пока невозможно. Во‑вторых, не исследованы до конца прочностные характеристики получаемых изделий и методы их улучшения. В‑третьих, стоимость изготовления деталей методом аддитивного выращивания достаточно высокая, поэтому вопрос эффективности применения метода печати зависит от их сложности и требует отдельной проработки. Все эти вопросы ограничивают в производстве ракетно-космической техники массовое применение деталей, полученных методом аддитивных технологий.

Заключение

На сегодняшний день в ракетно-космической отрасли происходит адаптация аддитивных технологий к реальному промышленному производству: определяются области максимально эффективного применения, разрабатывается нормативно-техническая документация, проводятся исследования по определению физико-механических характеристик изделий. Тем не менее уже сейчас существует широкий круг возможностей применения аддитивных технологий, когда создаются уникальные изделия, геометрия и форма которых далека от сложившихся представлений о машиностроительном конструировании.

Литература
1. Микрин Е.А. Перспективы развития отечественной пилотируемой космонавтики// Космическая техника и технологии. 2017 № 1(16). С. 5–11.
2. Артемов А.Л., Дядченко В.Ю., Лукьяшко А.В., Новиков А.Н., Попович А.А., Рудской А.И., Свечкин В.П., Скоромнов В.И., Смоленцев А.А., Соколов Б.А., Солнцев В.Л., Суфияров В.Ш., Шачнев С.Ю. Отработка конструктивных и технологических решений для изготовления опытных образцов внутренней оболочки камеры сгорания многофункционального жидкостного ракетного двигателя с использованием аддитивных технологий.// Космическая техника и технологии. 2017 № 1(16). С. 50–62.
3. Зайцев А.М., Шачнев С.Ю. Селективное спекание в производстве изделий ракетно-космической техники// Ритм. 2012 № 6(74). С. 34–36.

А.В. Дранков, Г.В. Калугин, С.Ю. Шачнев. «ЗЭМ» РКК «Энергия»

Источник