Технические науки/9. Авиация и космонавтика

Магистрант Захаров В.О.

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Россия

Применение аддитивных технологий и прогрессивных методов проектирования в космическом машиностроении.

Аддитивные технологии в последние годы получили широкое распространение. Их суть заключается в том, что изделия изготавливаются путём наращивания (добавления, от английского add) материала. При этом происходит контролируемое спекание частиц металлического порошка или порошковых полимеров вместо традиционных технологий литья и механической обработки изделия. Контролируемое спекание достигается путём совмещения газопорошковой струи с лазерным лучом, причём частицы остаются в двухфазном состоянии, то есть частично жидкие или частично твердые. После кристаллизации такой материал будет обладать высоким уровнем механических свойств благодаря мелкозернистой структуре.

В профессиональном языке авиастроителей существует фраза «buy-to-fly ratio», которая обозначает отношение закупленного материала к материалу, который реально «полетел» в качестве деталей, составляющих самолёт. По разным данным это отношение лежит в диапазоне от 15:1 до 20:1 в зависимости от сложности изготавливаемой детали. Использование аддитивных технологий позволяет изменить данный показатель до 2:1 [5,10]. Помимо этого существует ещё одно важное преимущество – скорость изготовления сложных деталей гораздо выше по сравнению с традиционными методами производства. Например, корпус камеры сгорания небольшого газотурбинного двигателя можно вырастить с нуля за три часа, в то время как при использовании традиционных технологий на это уйдёт около двух недель. Таким образом, процесс проектирования и создания новой техники посредством данной технологии ускоряется в десятки раз.

Для оптимального использования всех преимуществ аддитивных технологий требуется наладить комплексный подход к производству и эффективное взаимодействие проектантов, инженеров и технологов. Это требует, в первую очередь, разработки концепции проекта, основанной на методах компьютерного инжиниринга и современных технологиях топологической оптимизации, а также знания процессов производства. Только обладая всем спектром необходимых программных инструментов для моделирования, анализа и оптимизации изделий, а также пониманием особенностей технологических процессов, можно рассчитывать на максимально эффективное использование аддитивных технологий.

В последнее время активно развивается такой аспект проектирования как топологическая оптимизация. Топологическая оптимизация основана на нагружённости различных участков изделия и представляет собой поиск оптимальных форм изделия или определение оптимального распределения материала детали без привязки к каким-либо характерным размерам или параметрам исходной геометрии в отличие от параметрической оптимизации [1,348; 2,140]. Топологическая оптимизация позволяет снизить массу или объём деталей и как следствие – всей конструкции в целом. При этом прочность и жёсткость конструкции не снижаются, а зачастую и повышаются.

В работах 2 и 4 излагается методика проведения топологической оптимизации на примере одного из кронштейнов малого космического аппарата Аист 2-Д. При проведении оптимизации топологии зачастую получается сложная геометрия. Такие детали сложно изготовить при помощи традиционных методов производства. Также в работе 4 было показано, что при спекании металлического порошка лазером происходит выгорание магния. Поэтому предлагается использование силуминов (сплавы алюминия с кремнием). В работе 6 приводится данные о ценах на порошковые материалы и прокат из тех же материалов. Видно, что стоимость порошковых материалов превышает стоимость проката из аналогичного по химическому составу материала в десятки раз. Это так же является недостатком аддитивных технологий.

Применяя описанный в работе 4 метод топологической оптимизации, можно получить существенное снижение массы всей конструкции без снижения прочностных и жёсткостных характеристик. Но подобную конструкцию не получится изготовить при помощи традиционных методов производства, потребуется использование прогрессивных технологий, таких как аддитивные. Также, учитывая недостатки аддитивных технологий, потребуется использование других материалов. Однако внедрение описанных в работе методов проектирования и производства приведёт в дальнейшем к существенной экономической выгоде.

Литература

1. Brackett D., Ashcroft I., Hague R. Topology optimization for additive manufacturing // 22nd annual international solid freeform fabrication symposium. – 2011. – P. 348-362.

2. Zakharov V.O., TOPOLOGICAL OPTIMIZATION ON THE EXAMPLE OF THE SMALL SPACECRAFT «AIST-2D» // Modern science. М., 2017. – № 3.

3. Васильев Б. Е., Магеррамова Л. А. Анализ возможности применения топологической оптимизации при проектировании неохлаждаемых рабочих лопаток турбин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. – 2015. – №3. – С. 139-147.

4. Захаров В.О., Топологическая оптимизация в современном космическом машиностроении // Nauka i studia. – 2017. Т. 4. № – 11. – С. 46-49.

5. Зленко М.А. Аддитивные технологии в машиностроении / М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш [Текст] : пособие для инженеров. – М. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. – 220 с.

6. Моргунов Ю.А., Саушкин Б.П., Аддитивные технологии: освоение и внедрение в производство // РИТМ машиностроения. – 2016 – № 3. – С. 26-32.