Строить как птицы: на предприятиях ОАК внедряются аддитивные технологии

Предприятия ОАК начинают выпускать детали с бионическим дизайном. Со временем, благодаря меньшей массе и удобству выпуска, они могут потеснить детали, созданные по традиционным технологиям 18 Июль 2018, 15:59
Предприятия ОАК начинают выпускать детали с бионическим дизайном. Чисто внешне напечатанные на 3D-принтере детали выглядят непохожими на большинство элементов конструкций, спроектированных за последние десятилетия. Со временем, благодаря меньшей массе и удобству выпуска, они могут заметно потеснить детали, созданные по традиционным технологиям.

Компания «Сухой» разработала первую деталь на основе бионического дизайна. В мировой авиации пока по пальцам можно пересчитать успешные примеры, когда созданные по новым технологиям и напечатанные на 3D-принтере детали начинают внедряться в авиационное производство. Предприятия ОАК идут в ногу со временем.

Ведущий технолог отдела материаловедения Антон Леонов демонстрирует алюминиевый силовой кронштейн для нового истребителя. Кронштейн – полностью отечественная разработка. Конструкторы компании «Сухой» спроектировали деталь на суперкомпьютере. Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ) из созданной на его базе отечественной металлопорошковой композиции алюминиевого сплава напечатали деталь на 3D-принтере.

Дизайн больше напоминает кость какого-нибудь доисторического животного, чем деталь истребителя пятого поколения.

Ряд технологических особенностей новой детали указывает на то, что разработке вряд ли придется долго пылиться где-нибудь на музейной полке. Новый кронштейн на четверть легче своих предшественников, которые летают на нынешних машинах сегодня и выполнены по традиционным технологиям. «Весь процесс – от проектирования детали с “нуля” до адаптации технологии и запуска в производство занял чуть больше года», – отмечает Андрей Филатов, начальник научно-исследовательского отдела материалов и технологий ОКБ Сухого.

И еще немаловажный нюанс. Деталь почти полуметровой длины изготовлена методом лазерного спекания всего за одну ночь. Традиционная механическая обработка алюминиевой заготовки заняла бы не меньше недели. Благодаря применению 3D-печати в детали удалось создать полости, к которым на обычном станке с программным управлением при обработке детали «не прогрызешься».

В поисках идеальной формы

Около десяти лет тому назад Александр Рожкин и Валентин Мартынов завершили обучение на кафедре прочности в Московском авиационном институте (МАИ). Их учеба в том числе была связана с использованием суперкомпьютеров.

Валентин показывает обширную презентацию деталей, разработанных в «Сухом» с помощью так называемого «гибридного проектирования», когда при создании новой конструкции оптимальное расположение многочисленных силовых элементов определяется на основе математической модели методами топологической оптимизации и в дальнейшем интерпретируется в конструктив с учетом возможностей технологий и даже дизайна.

Первую деталь – кронштейн ветрогенератора для пассажирского лайнера Sukhoi Superjet 100, расчетчики создали еще в 2008 году. Применение численного синтеза конструктивно-силовых схем позволило спроектировать деталь таким образом, что при том же весе ее жесткость стала в пять раз выше по сравнению с традиционными методами проектирования. По словам Александра Рожкина, метод гибридного проектирования распространили на многие новые и существующие изделия. 

Конструкторы создали несколько чертежей деталей, например элементов хвостового оперения, силовых конструкций.

«Традиционные формулы сопротивления материалов и строительной механики могли позволить рассчитать более упрощенные конструкции аналитическими методами даже на калькуляторе. Используй мы классические методы расчета прочности, пришлось бы выполнить объем работы, сопоставимый по объему с добротной диссертацией. Без численных методов вкупе с суперкомпьютером и применения новых программ разработка таких деталей была бы просто невозможной», – говорит Александр.

Гибридный, он же генеративный, он же бионический

Детали, изготовленные с помощью технологии стереолитографии. 
Генеративный дизайн представляет собой способ проектирования различных объектов, при котором для снижения веса и увеличения прочности применяются отличные от традиционных решения. Внешне объекты, произведенные подобным образом, отличаются от обычных техногенных изделий. Они имеют выраженные черты, присущие, например, растениям, имитируют строение конечностей или костей. Именно поэтому такой способ проектирования часто называют бионическим дизайном.

Термин же «генеративный дизайн» используется в связи с тем, что геометрия подобных конструкций автоматически рассчитывается, как бы генерируется в специальном программном обеспечении. Это можно представить в виде человека, который делегирует часть задач компьютерным технологиям. 

Главная задача бионического дизайна вполне логична – снижение веса объекта при сохранении или даже увеличении его исходной прочности. Именно поэтому такие решения чаще используют в сферах, где важно сэкономить каждый грамм, в том числе и в авиастроении.

Другая смежная задача в генеративном дизайне – экономия дорогих материалов, таких как сложные сплавы или редкие металлы. Бионический подход в проектировании позволяет при некоторых технологических процессах тратить на 30 или даже 50 % меньше материала. Естественно, это положительно влияет на цену таких изделий.

Создание конструкций на основе генеративного проектирования в большинстве случаев возможно только с помощью аддитивных технологий (то есть 3D-принтера), которые используют метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Дело в том, что традиционные методы производства не в состоянии реализовать проекты со сложной структурой нестандартных элементов, которую предлагает бионический дизайн. С помощью же 3D-печати можно изготовить элементы с любыми толщинами, искривлениями, полостям, сетчатой и ячеистой структурами. К тому же послойное построение придает бионическим объектам еще большую прочность и устойчивость к нагрузкам.

«Первопечатники»

Детали топливной системы. 
Первую пробную 3D-печать удалось осуществить на специальном принтере здесь же в Москве на оборудовании ВИАМ из специального отечественного алюминиевого порошка для печати. Между тем в самом ОКБ Сухого существует собственная 3D-лаборатория, где методом стереолитографии изготавливаются десятки различных деталей для самолетов. Изготовленные таким методом детали хорошо знакомы летчикам истребителей пятого поколения Су-57 на самых разных этапах создания и ввода в эксплуатацию техники.

Например, как вспоминает начальник научно-исследовательского отдела–модельного комплекса (НИО МК) Алексей Яременко, в ОКБ Сухого очень быстро смогли подобрать оптимальный дизайн ручки управления самолетом. На джойстике расположено несколько кнопок управления. После замечаний, сделанных пилотами об удобстве расположения кнопок, удалось достаточно быстро доработать первоначальный проект (там пальцы летчика не всегда дотягивались до кнопок) и предложить более удобный вариант.

Яременко говорит, что каждый год «с нуля» запускает около пяти новых деталей, создаваемые методом гибридного проектирования, еще около десяти изготавливаются опытными партиями.

Послойным синтезом напечатана, а затем отлита в металле, например, педаль управления самолетом. Использование методов гибридного проектирования позволяет быстро доработать конструкцию какого-либо отдельного агрегата, например кронштейна, и запустить его в производство.

Множество деталей делается для продувочных моделей новой авиационной техники. Недавно в ОКБ Сухого была изготовлена модель создаваемого российско-китайского широкофюзеляжного самолета, которую глава государства подарил китайскому визави. Часть деталей этой модели были изготовлены методом аддитивных технологий.

Выход есть

Экспериментальный прототип кронштейна навески двери для МС-21
Использование цифровых технологий на всех этапах проектирования позволяет сегодня в авиации делать то, что еще вчера казалось невозможным: создать за рабочий день прочную, изящную деталь с минимальной массой, применяя самые продвинутые методы расчета и оптимизации, а завтра напечатать ее в соседней комнате, послезавтра – испытать, спустя неделю – установить на самолет. За реализацию этой фантастической идеи всерьез взялись инженеры корпорации «Иркут». 

Здесь чуть больше года назад начали внедрять процедуры топологической оптимизации в процесс проектирования. Галина Гвоздева, ведущий инженер-конструктор отделения прочности, показывает первые опытные образцы, выращенные по аддитивной технологии.

«Это прототип кронштейна навески двери для нового лайнера МС-21-300, – рассказывает Галина. – Деталь, разумеется, не “боевая”. Работы носят характер НИОКР. Основной вопрос, который мы перед собой сегодня ставим – определение номенклатуры деталей, изготовление которых с привлечением аддитивного производства целесообразно. Задача сложная, особенно когда речь идет о гражданской технике. Приоритетом для нас как для разработчиков воздушного судна является расширение конструктивно-технологических возможностей при проектировании и изготовлении деталей. За словами “внедрение аддитивных технологий” мы в первую очередь видим перспективы повышения массовой эффективности деталей за счет оптимизации формы под действующие нагрузки, разумеется, при обеспечении требуемого уровня надежности».

К выбору опытного образца для исследований, по словам Галины Гвоздевой, в корпорации «Иркут» отнеслись серьезно – с привлечением директора конструкторского бюро, главного технолога и заместителя главного конструктора по прочности. Остановились на сборочной единице сложной конфигурации из более чем 28 деталей, не относящейся к основным силовым элементам. Деталь не работает в полете, ее эксплуатация не связана с восприятием внешних полетных нагрузок и нагрузок от избыточного давления. Проектирование и изготовление первого образца заняло около двух недель, что по меркам «аддитивной философии» долго. «Мы стремились сделать не быстро, но качественно. Показали результаты топологической оптимизации конструкторам, проработали силовые потоки в конструкции и только после этого выработали компромиссный дизайн, объединяющий традиционные конструктивные решения с элементами бионического дизайна. 28 деталей заменили одной!» – вспоминает Галина.

Когда 3D-модель готова, ее следует адаптировать к печати. И тут без специальных знаний «аддитивки» не обойтись. Конструкторов «Иркута» выручило давнее сотрудничество с Московским государственным технологическим университетом «СТАНКИН». В рамках этого сотрудничества Галина Гвоздева даже защитила диссертацию под руководством ведущего ученого по направлению Татьяны Тарасовой. Кстати, это была одна из первых диссертаций по аддитивному производству в России. Получился эффективный научно-промышленный союз разработчика реальной конструкции и образовательного учреждения с исследовательской лабораторией. Работа вызвала оживленный интерес среди производителей оборудования. Подключились компании SLM Solution (Rusky Group) и Concept Laser. В результате изготовили несколько прототипов в масштабе 40 % от реального размера в различных конфигурациях из сплавов алюминия, титана и из стали. Работой заинтересовались в центре авиационной науки – Центральном аэрогидродинамическом институте им. профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), где были проведены натурные прочностные испытания. Их результаты позволили смело говорить о перспективах разработок этого инновационного направления.

На сегодняшний день в «Иркуте» сформирована рабочая группа по внедрению аддитивных технологий из прочнистов, конструкторов и технологов и налажены устойчивые связи с партнерскими организациями.

Инновации для воздушного тормоза


Еще одним ярким примером применения методов математического моделирования к разработке эффективных композитных конструкций является работа, ведущаяся компанией «Ильюшин» совместно с учеными химического факультета из компании «ИНУМиТ» в МГУ им. М. В. Ломоносова. При проектировании воздушного тормоза самолета Ил-114-300 использование метода топологической оптимизации позволило создать уникальную интегральную конструкцию. Планируется, что она будет на 10 % легче и на 20 % менее трудоемкой при производстве по сравнению с традиционными композитными и металлическими решениями. До конца года разработка ученых будет воплощена в жизнь на Воронежском авиационном заводе в виде «боевых» агрегатов самолета Ил-114-300.

Будущие топ-оптимизаторы

Детали с бионическим дизайном.
Сергей Ершов – студент группы 10-501С 101-й кафедры МАИ. Он автор и один из исполнителей проекта «Будущее авиации». История проекта – это участие талантливой молодежи в проектной смене «Большие вызовы» в сочинском научно-образовательном центре «Сириус». На этом мероприятии маевцы Сергей Ершов, Евгений Подобин и Артем Самойловский вместе со школьниками из разных уголков России реализовывали проект «Будущее авиации», организованный ОАК и МАИ. Студенты и школьники с нуля сделали беспилотник с композитными крыльями.

Отличительной особенностью этого дрона стала облегченная конструкция, полученная благодаря перспективному в авиастроении методу топологической оптимизации. 

Так как одним из основных производственных инструментов в руках юных конструкторов был 3D-принтер, то удалось использовать это как преимущество для производства облегченной конструкции фюзеляжа. Больше всего ребятам не хватало времени. Однако они смогли найти разумный баланс между сроками и возможностями оборудования и напечатали мотораму, не только облегчив на 20 % ее массу по отношению к конструкции, которую можно было изготовить из композиционного материала классическими методами, но и ушли от необходимости производить оснастку для производства.

Материалом для 3D-печати стал термопласт с добавлением углеродного волокна. Для расчетов использовался программный модуль топологической оптимизации U-opti, разработанный на базе программного комплекса Abaqus, и программные модули собственной разработки университета. Такое сочетание позволило сократить время и одновременно упростило процедуру освоения модуля участниками проекта.

В процессе работы участники не только оптимизировали геометрическую форму агрегатов беспилотника, но и учитывали особенности технологической подготовки последующего производства на 3D-принтерах в программном комплексе, разработанном в стенах МАИ.