<img height=\"1\" width=\"1\" style=\"display:none\" src=\"https://www.facebook.com/tr?id=445424938985795&ev=PageView&noscript=1\" />
 
 
 
 

 

 
 
 
+7 (812) 313-18-10 
 
 

Проект изготовления горелочного устройства двигателя с применением аддитивных технологий 

Проект реализован Лабораторией аддитивных технологий Самарского университета с применением систем NX CAD, Tecnomatix Plant Simulation, а также знаний, полученных на обучающих курсах и стажировках IDEAL PLM

 

Автор статьи - Виктория Кокарева, научный сотрудник Самарского университета

 

Сотрудничество Самарского университета и IDEAL PLM

2018

Отработка функционала NX additive для совместного проекта по разработке и изготовлению деталей авиационных двигателей с помощью специального робота

2017

Специалисты Самарского Университета участвовали в конференции IDEAL PLM Technology Days с докладом "Опыт использования Siemens NX в лаборатории аддитивных технологий Самарского Университета"

2016

Совместная с IDEAL PLM организация конференции в Самарском Университете, тема мероприятия «Комплексный подход в технологиях механообработки при помощи решений Siemens PLM Software»

2015 

Специалисты Самарского Университета участвовали в конференции IDEAL PLM Technology Days c докладами:
"Разработка технологического процесса производства деталей микро-ГТД в PLM-системе Teamcenter Manufacturing"
"Опыт использования NX CAD при решении конструкторско-технологических задач авиационной промышленности Самарского региона"

2014

Обучение и стажировки специалистов Самарского Университета в Финляндии по следующим обучающим программам: "Работа в Teamcenter Manufacturing" и "Работа в Tecnomatix Plant Simulation" 
 

 

Развитие Лаборатории аддитивных технологий при  Самарском университете

 

Самарский университет - лидер аддитивных технологий в Приволжье
 

Самарский университет  сегодня является центром компетенции в сфере аддитивных технологий в Приволжском федеральном округе, а Кафедра технологий производства двигателей - одной из ведущих научно-практических школ в области современных цифровых технологий изготовления деталей авиационно-космической техники. За последние два года значительно расширился круг партнеров и заказчиков научно-технических услуг.

 

Центр компетенции Siemens PLM при Самарском университете

В 2015 г. создан Центр компетенции Siemens PLM для эффективного внедрения и технического сопровождения программного обеспечения компании Siemens PLM Software на промышленных предприятиях, в научных организациях и ВУЗах машиностроительной отрасли.

 

Международная лаборатория аддитивных технологий

В 2017 г. на базе кафедры создана «Международная лаборатория изучения медицинских приложений аддитивных технологий» под руководством профессора Лоранс Вико (главы лаборатории Интегративной биологии костной ткани, IFRESIS, Сент-Этьен, Франция). В лаборатории проводятся фундаментальные и прикладные научные исследования, направленные на проектирование и разработку цифровых моделей, производства на базе технологий селективного лазерного сплавления металлического порошка биосовместимых персонифицированных имплантатов.

 

Центр компетенции по моделированию и оптимизации аддитивных технологий

Также создан совместный центр компетенции по моделированию и оптимизации аддитивных технологий с корпорацией MSC Software. Основным направлением центра является компьютерное моделирование технологий 3D-печати.

 

Развитие сотрудничества по аддитивным технологиям

Заключены соглашения о сотрудничестве с ПАО «Кузнецов», СамГУПС, ООО «РусАТ», АО «Полема», ОАО ВИЛС, ООО «ИЛМиТ», ООО «ИЦ АТ», Пекинской компанией АМС Паудерс с целью проведения совместных научно-технических работ по аддитивным технологиям при изготовлении деталей и узлов из металлических порошков, используемых в области двигателестроения для авиационной, наземной и морской техники.

  

 

 

По мнению заведующего лаборатории аддитивных технологий к.т.н., доцента Смелова Виталия Геннадиевича:

С 2018 г. под влиянием цифровой трансформации современных предприятий и реализации принципов концепции «Индустрия 4.0»  на Кафедре технологий производства двигателей Самарского Университета сформировались новые направления научно-практической ориентации, связанные с созданием и моделированием работы цифровых фабрик на базе аддитивных технологий. Предприятия остро ощущают потребность в специализированных кадрах и компетенциях разработки цифровых технологий производства, позволяющих сократить в десяти раз время производственного цикла и затрат на производство. Актуальным, на наш взгляд, является подход цифрового проектирования комплексных технологических процессов, включающих аддитивные формообразующие и финишные отделочные операции для получения деталей аэрокосмической техники с требуемыми эксплуатационными свойствами из отечественных порошковых композиций.
 
 
 
 
 

 

Термин, часто используемый в тексте: СЛС - селективное лазерное сплавление  

 
 
В 2018 году в Самарском университете был выполнен пилотный проект по созданию сквозной цифровой технологической цепочки изготовления детали камеры сгорания ГТД – горелочного устройства с применением СЛС, обеспечивающего требуемое качество, свойства поверхности и размерную точность.

3D модель детали была построена в NX CAD. Традиционными методами обработки корпус горелочного устройства изготавливается из 5 отдельных компонентов (Рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Корпус горелочного устройства, изготовляемого традиционным способом

 
 

 

Проектирование конструкции горелочного устройства было выполнено с учетом правил проектирования изделий, изготавливаемых аддитивными технологиями, и направления выращивания, а именно со стороны нижней части корпуса изделия. Геометрия сечения горизонтальных каналов горелочного устройства с углом наклона менее 45 градусов была выполнена в «каплевидной» форме. Выходная кромка лопатки была удлинена, также был изменен угол наклона, что позволило исключить построение материала поддержки. Спроектированная конструкция позволила сократить цикл изготовления детали в условиях опытного производства до одного дня (без учета последующей механической обработки). Также сократили массу детали с 2 кг до 1,6 кг.

Рисунок 2 – Спроектированная конструкция корпуса горелочного устройства с учетом технологии СЛС

 

 

 

Технологическая задача заключалась в разработке методики цифрового моделирования СЛС для оптимизации технологических условий процесса. Цель методики - устранение искажения формы, выбор рациональной стратегии печати, построение поддерживающих структур, уменьшение влияния остаточных напряжений. Цифровое моделирование СЛС связано с влиянием управляющих параметров процесса на кинетику структурно-фазовых превращений, происходящих на стадиях нагрева и охлаждения при действии луча лазера. Моделирование процессов СЛС позволяет добиваться улучшения физических и механических свойств изготавливаемых изделий, а также обеспечить требуемую плотность формируемых изделий, которая оказывает влияние на их механические свойства, включая прочность, твердость, и особенно, пластичность и циклическую выносливость. Достижение минимально возможной пористости связано с трудоемким процессом оптимизации управляющих рабочих параметров процесса СЛС, которую в значительной степени можно проводить на цифровых моделях процессов.

Лазерное сплавление приводит к формированию больших остаточных напряжений (Рисунок 3) вследствие высокого градиента температуры в поверхностных слоях материала. Эти напряжения могут приводить к разрушению деталей или искажению геометрии, расслоению и трещинообразованию. 

 

а – скорость сканирования 2,5 мм/с; б – скорость сканирования 4,2 мм/с; в – скорость сканирования 8,5 мм/с

Рисунок 3 – Распределение остаточных напряжений в плоских образцах

  

 

 

Рисунок 4 – Температуры и внутренние напряжения, возникающие при сплавлении первого слоя образца, суммарные температуры и остаточные напряжения

 

В добавление к термическим напряжениям, термокапиллярные эффекты также создают серьезные препятствия, как для формирования заданной геометрии детали, так и для качественного межслоевого соединения. Следовательно, необходимы адекватные модели физических процессов при послойном лазерном сплавлении порошка для назначения режимных параметров сплавления, обеспечивающих требуемый комплекс функциональных свойств изделий.

По результатам статистических данных, наиболее важными параметрами процесса являются скорость сканирования V [мм/с], мощность лазерного излучения P [Вт], шаг (интервал) сканирования h [мкм] и толщина слоя t [мкм]. Эти параметры напрямую связанны с процессом селективного сплавления порошкового материала и обычно определяются путем исследования их влияния на плотность синтезируемого материала, его механические свойства и микроструктуру. Также к параметрам сканирования относится температура предварительного нагрева подложки и стратегия сканирования. Поскольку подложка действует как большой теплоотвод, предварительный нагрев снижает термические градиенты и, следовательно, остаточные напряжения. С использованием программного пакета Ansys были определены распределения остаточных напряжений в плоских образцах жаропрочного сплава после полного их остывания при разных скоростях сканирования. А также температуры и внутренние напряжения, возникающие при сплавлении первого слоя образца (Рисунок 4).

 

 

 

Далее работа проводилась в САЕ-системе MSC Simufact Additive для определения деформаций, возникающих в процессе сплавления порошка, и коррекции 3D-модели (Рисунок 5, 6).

 

Рисунок 5 – Моделирование деформаций

 

Рисунок 6 – Коррекция отклонений формы

 

Разработанные алгоритмы калибровки параметров и коррекции геометрии детали позволили достигнуть нужной размерной точности при изготовлении горелочного устройства методом СЛС.

После разработки цифровой модели процесса СЛС была разработана технологическая инструкция по назначению основных параметров процесса СЛС металлического порошка ВВ751П. При внедрении технологии СЛС отечественных жаропрочных сплавов на предприятия, актуальным для технологических служб является вопрос обеспечения заданных параметров точности и механических свойств изделий без проведения большой серии экспериментов и определения технологических режимов: мощность лазера, скорость сканирования, направление сканирования лазерным лучом (штриховка), а также моделирования дополнительных припусков и теплоотводов, материала поддержки, расположения модели на платформе построения. 

 

 
 

 

С целью ускорения внедрения технологии СЛС при изготовлении деталей камеры сгорания ГТД на отечественных предприятиях из жаропрочных материалов была разработана и передана на АО«Металлист-Самара» технологическая инструкция, содержащая оптимальные технологические параметры и рекомендации по определению геометрии детали.

В целях сокращения технологической себестоимости на платформе построения располагалось пять горелочных устройств. Расположение деталей и подготовка файла. stl к печати осуществляется в программном обеспечении MagicsRP.

По результатам работы был получен патент «Способ получения деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включающий технологию селективного лазерного сплавления и термическую обработку»

Процесс СЛС металлического порошка ВВ751П на установке SLM280HL и напечатанные горелочные устройства изображены на Рисунке 7.

 
 

а – расположение одного горелочного устройства на платформе построения,

б – максимальное количество горелок, расположенных на платформе построения и изготовляемых за один технологический цикл,

Рисунок 7 – Подготовка детали перед процессом СЛС

  

 
 
 

Рисунок 8 – Процесс печати и готовые горелочные устройства

 

Разработанные технологии аддитивного производства позволили изготовить функциональные детали ГТД – горелочные устройства с повышенным комплексом эксплуатационных свойств, в том числе, обеспечив снижение массы на 15% и сократив технологическую себестоимость в 2,2 раза.

Цифровое аддитивное производство не закончилось лишь проектированием изделия и моделированием технологического процесса. Была построена имитационная модель производственного аддитивного участка в Tecnomatix Plant Simulation. Модель симулирует процесс загрузки аддитивных установок деталями различных геометрических параметров, требований точности, применяемых материалов.

Различные комбинации деталей и платформ построения приведут к различным затратам, зависящих от объема материала построения и максимальной высоты построения. Кроме этого, машины обладают различными техническими параметрами.

 

 
 

В целом,при выборе технологии аддитивного производства необходимо учитывать ряд факторов, ограничивающих и определяющих их применение при изготовлении заданного по геометрическим параметрам типа детали (толщина стенок, наличие внутренних каналов, точность и качество). Существующие альтернативные варианты технологических параметров формируют задачу принятия решения по выбранным критериям и ограничениям. При принятии решения о выборе технологии производства принимаются во внимание характеристики порошковых материалов и технические характеристики установки аддитивного производства. Для такого решения необходимо большое количество опытов и отработок технологий с определением параметров качества, издержек и длительности. Для решения таких сложных и многопараметрических задач Самарский университет сотрудничает с компанией IDEAL PLM, чей опыт применения современных программных решений позволит реализовать принципы «Индустрия 4.0» и повысить конкурентоспособность отечественных производств.

 

 

Рисунок 9 – Имитационная модель аддитивного участка

 

 

Подписка на ежемесячный электронный журнал IDEAL PLM

Будьте в курсе свежих новостей! Только актуальные мероприятия, статьи, видео-стримы и вебинары. Все о современных технологиях для промышленных предприятий






* Поля, отмеченные звездочкой, обязательны для заполнения

Нажимая на кнопку "Отправить", вы даете согласие на обработку своих персональных данных

 

 

Заказать звонок

Мы позвоним
в рабочее время

Позвоните мне
Нажимая на кнопку "Заказать звонок", вы даете согласие c Политикой обработки персональных данных
Спасибо,

Спасибо! Заявку получили, сейчас позвоним.

Подождите,

Ваша заявка обрабатывается!