Аддитивные технологии обещают машиностроителям прорыв в темпах разработки и испытаний перспективных изделий. "ОДК-Климов" при поддержке Центра аддитивных технологий удалось вчетверо сократить срок производства деталей сложной конфигурации, используемых в двигателе-демонстраторе ВК-650В. И пускай вопрос о широком применении новых способов создания заготовок деталей пока остаётся открытым, некоторые комплектующие, выращенные с помощью послойного лазерного спекания, уже получили прописку в серийной продукции ОДК.

Центр нового

Аддитивные технологии рассматриваются как один из элементов "Индустрии 4.0" - четвёртой промышленной революции. В настоящее время разработано более дюжины основных методов послойного создания твёрдого объекта, в том числе с использованием металлических порошков. Их применение открывает для машиностроения новые возможности, поэтому ведущие индустриальные державы уделяют большое внимание разработке соответствующих технологий, материалов и специального оборудования. Другое направление развития - изменение подхода к инжинирингу деталей, проектирование изделий с учётом новых возможностей формообразования, открывающихся благодаря аддитивным технологиям.

В авиационном комплексе Госкорпорации Ростех было принято решение сконцентрировать компетенции в области 3D-печати и смежных вопросов на одной площадке. АО "Центр аддитивных технологий" (ЦАТ), созданное в 2018 году пятью компаниями авиационного кластера ("Объединенная авиастроительная корпорация", холдинг "Вертолеты России", "Объединенная двигателестроительная корпорация", холдинг "Технодинамика" и КРЭТ), разместилось на площадке Московского машиностроительного предприятия имени В.В. Чернышева, входящего в состав ОДК.

Цели, поставленные при создании компании: сокращение сроков вывода на рынок новой высокотехнологичной продукции, изменение подхода к проектированию и созданию передовых изделий, а также устранение отставания России от зарубежных конкурентов в области внедрения аддитивных технологий в авиационной промышленности. Для их достижения ЦАТ работает по четырём бизнес-направлениям. Первое - исследования и разработка, инжиниринг и реинжиниринг конструкции. Второе направление связано с созданием опытных образцов на базе разработанных конструктивных решений. Также ЦАТ участвует в исследованиях и сертификации. Финалом этих процессов является серийный выпуск продукции как на своей площадке Центра, так и с созданием филиалов и мобильных центров производства. "Каждое из этих направлений завязано на плотную кооперацию с существующими конструкторскими бюро и дизайн-центрами, - рассказывает Владислав Кочкуров, генеральный директор Центра аддитивных технологий. - В вопросах исследований и сертификации мы работаем вплотную с отраслевыми институтами. Также развиваем комплексные образовательные программы на своей базе с привлечением иностранных специалистов, развиваем внутреннюю и международную кооперацию с существующими центрами аддитивного производства".

Предприятие располагает шестью установками, из которых пять установок послойного синтеза и одна - прямого нанесения. Три из них работают с заготовками среднего размера - около 250-300 мм по одному измерению. Ещё две машины позволяют получать крупногабаритные детали. "Машина, пришедшая к нам буквально месяц назад, сейчас вводится в эксплуатацию, - рассказал гендиректор ЦАТ. - Зона построения - 500х500х500 мм. На сегодня это самая крупногабаритная машина, выпускаемая в мире, с серийно отработанным технологическим процессом". Кроме того, имеется полный спектр механообрабатывающего, лабораторного и контрольного оборудования. Так для проведения выходного контроля геометрии выпускаемых изделий применяется система лазерного сканирования.

Быстрая разработка на примере ВК-650В

Ранее "АвиаПорт" рассказывал о проекте создания на предприятии "ОДК-Климов" вертолётного двигателя ВК-650В. Поставленная задача - разработка и сертификация в кратчайшие сроки простой, надёжной конструкции, с минимальной стоимостью жизненного цикла - потребовала применения на стадии ОКР аддитивных технологий.

По словам В. Кочкурова, ЦАТ провёл инжиниринг 28 деталей, входящих в двигатель, для оценки возможности их производства методами аддитивных технологий. На первом этапе проекта было выбрано и запущено в производство четыре статорные детали двигателя-демонстратора. Все они относятся к "холодной" части. Совместно с разработчиком двигателя ЦАТ участвовал в подготовке конструкторской документации и подборе материала. 3D-модели деталей были оптимизированы, а также прошли необходимую доработку: добавлены поддерживающие структуры и припуски для последующей механической обработки. По созданным моделям были выращены заготовки, от них были отделены поддерживающие структуры, после чего выполнена финишная механическая обработка деталей.

На выпуск 12 единиц деталей (четыре наименования по три экземпляра) было отведено всего полтора месяца. Сегодня уже можно констатировать, что выдержать эти сроки вполне возможно. "На сегодняшний момент 50% этого объёма производства нами уже выполнено. По тем результатам, которые мы видим, мы сократили сроки подготовки производства и изготовления заготовок с полугода до полутора месяцев, - рассказал В. Кочкуров. - Качество деталей, которые мы получаем, превосходит литейные заготовки. И, плюс, выполняется полный цикл механической обработки".

Для изготовления деталей был выбран отечественный материал Х15Н5Д4Б, прошедший паспортизацию по заказу предприятия ПАО "ОДК-Сатурн". Выбор материала для изготовления деталей был обусловлен имеющимся опытом в рамках холдинга ОДК в части применения данного материала для 3D-печати, максимальной близостью характеристик материала к заложенным в конструкторской документации и превосходством выбранного материала перед аналогами по ряду физических и механических свойств. Учитывая, что выбранный материал идентичен материалу, ранее разработанному в Германии, его применение не потребовало проведения перенастройки оборудования: печать осуществлялась на режимах, предустановленных в имеющиеся установки.

Подводя итог уже выполненной работе, В. Кочкуров отметил, что за счёт применения аддитивных технологий обеспечено сокращение сроков выпуска изделий на 50-80%, прежде всего за счёт экономии времени на изготовление литейной оснастки. "Кроме того, мы получили возможность создавать детали сложной геометрической формы, которая зачастую недоступна к производству стандартными методами. Мы получили возможность улучшения эксплуатационных свойств деталей. Наконец, аддитивные технологии позволяют повысить коэффициент использования материалов до 98%, - перечислил достигнутые преимущества гендиректор ЦАТ. - Это открывает перед нами огромные перспективы для дальнейшего внедрения аддитива в отечественном двигателестроении". На детали, которые будут выполнены методом аддитивных технологий, придётся 20% массы двигателя-демонстратора.

Что дальше?

Параллельно с разработкой ВК-650В на "ОДК-Климов" ведётся разработка перспективного базового турбовального двигателя в диапазоне мощностей от 1400 до 1700 л.с., получившего индекс ВК-1600. Для проработки возможности изготовления в ЦАТ уже передано восемь моделей деталей и сборочных единиц этого двигателя. Все они имеют сложную геометрию. "На производство подобных изделий традиционными методами зачастую уходит от нескольких месяцев до года, в связи с необходимостью очень тяжёлого процесса подготовки производства, а именно необходимости проектирования и изготовления литейной оснастки, дополнительной оснастки для механообработки, - рассказывает В. Кочкуров. - А применение аддитивных технологий позволяет нам сократить производство данных видов деталей до нескольких недель".

Что же касается дальнейших работ по ВК-650В, разработчиком принято решение продолжить работы по освоению новых деталей по итогам первых испытаний двигателя-демонстратора, намеченных на четвёртый квартал 2020 года. "На основании проведённых стендовых испытаний будет принято решение по дальнейшей возможности внедрения аддитивных технологий в состав двигателя и его модификаций", - уточнил руководитель ЦАТ.

Кроме того, он уточнил, что из 28 деталей, производство которых с помощью аддитивных технологий рассматривается в настоящее время, часть относится к "горячей" части, которой занимается ФГУП "ВИАМ". Однако участие ЦАТ в выпуске таких деталей вполне возможно. Так ранее ВИАМ разработал технологию производства завихрителей фронтового устройства камеры сгорания двигателя ПД-14. В настоящее время подписано решение, согласно которому ЦАТ осваивает серийное производство завихрителей на своей базе с адаптацией технологического процесса разработки ФГУП ВИАМ.

Наконец, остаётся открытым вопрос относительно применения деталей, полученных методами аддитивного производства, в серийной продукции. В. Кочкуров подчеркнул, что общая квалификация ряда материалов и технологий уже проведена. Однако пока остаются открытыми вопросы специальной квалификации. "Ставя эти детали на испытательный стенд на базе "ОДК-Климов", мы делаем первый шаг для того, чтобы пройти специальную квалификацию", - отметил В. Кочкуров. По его признанию, сам процесс специальной квалификации, который должен проходить в партнёрстве с профильными НИИ, может оказаться достаточно длительным, но его прохождение вполне реалистично. "Алгоритм, каким образом защитить аддитивную деталь в составе авиационного изделия, нам понятен", - резюмировал руководитель ЦАТ....