Напечатать самолёт – 3D-печать в авиастроении

3D-печать в последние годы развивается особенно быстрыми темпами. Кажется, совсем скоро каждое металлическое и пластмассовое изделие, необходимое нам в повседневном обиходе, будет выходить из камеры 3D-принтера. Но, пока это только мечты футурологов, а аддитивное производство не собирается полностью заменять традиционное. Его миссия в том, чтобы дополнить классический способ изготовления металлических изделий в некоторых отраслях промышленности, улучшая их характеристики. В этой статье рассказываем об отрасли, где аддитивное производство показывает себя наиболее ярко – авиастроении.

Немного статистики

Аэрокосмическая промышленность стала одной из первых отраслей, внедривших аддитивные технологии. До сих пор именно эта отрасль вносит наибольший вклад в развитие аддитивного направления. По данным исследования Allied Market Research, в 2020 году мировой рынок 3D-печати в этой индустрии оценивался в 1,38 миллиардов долларов и, по прогнозам, к 2030 году должен достигнуть 6,8 миллиардов долларов. Рост обусловлен увеличением спроса на авиаперевозки, которые ускоренными темпами возрождаются после пандемии. По данным Международной ассоциации воздушного транспорта (IАТА) в 2022 году авиаперевозки выросли на 64,4% в сравнении с 2021-м годом. Другими драйверами рынка становятся высокий спрос на строительство новых самолетов и растущие потребности в авиакомплектующих, что особенно актуально для России в связи с курсом на импортозамещение. Сейчас в нашей стране активно развивается производство лайнеров МС-21 и Sukhoi Superjet 100, двигатели которых содержат аддитивные изделия.

Как и что печатается

Для производства авиалайнеров используются изделия из металла и пластика. К сожалению, времена, когда мы сможем напечатать на 3D-принтере целый самолет, ещё далеко, но уже сейчас производятся несколько десятков тысяч видов деталей для различных систем авиалайнера. Металлические изделия печатаются по технологии SLM (Selective Laser Melting), или селективное лазерное сплавление. Частицы металлического порошка сплавляются между собой мощным лазером, слой за слоем, формируя будущую деталь. В этом процессе практически нет ограничений – 3D-принтер может напечатать изделие абсолютно любой формы и дизайна. При проектировании 3D-модели инженеры определяют возможные риски – места, где впоследствии могут образоваться дефекты, и моделируют её таким образом, чтобы избежать появление деформаций. После печати изделие проходит процедуры постобработки. Сейчас для авиадвигателей с помощью аддитивных технологий печатаются сопловые и рабочие лопатки, топливные форсунки, корпусы компрессора и многие другие элементы газотурбинных двигателей.  Аддитивные детали также выпускаются для салона и других систем жизнеобеспечения самолета. Среди них – воздуховоды, стеновые панели, каркасы сидений и др.

Лёгкость во всём

Одно из главных преимуществ 3D-печати в авиастроении – возможность сократить вес детали. Борьба идёт за каждый килограмм и все, кто когда-либо летал на самолетах, знают о строгих ограничениях в весе при провозе багажа. С избыточной массой сражаются не только авиакомпании, но и инженеры-конструкторы при проектировании авиалайнера. Чем здесь помогают аддитивные технологии? При проектировании 3D-модели изделия проводится его редизайн под аддитивное производство, когда инженер-конструктор из номинальной геометрии изделия проектирует оптимизированную. В процессе трансформируются некоторые элементы, чтобы изделие напечаталось с наименьшим количеством технологических поддержек и было лишено концентраторов напряжения — мест, где оно может получить дефект. Таким образом, в новом изделии сокращается количество используемого материала, а в сплошных стенках могут появиться отверстия. При этом образец, напечатанный в 3D-принтере, соответствует тем же характеристикам и выполняет те же функции, что и его аналог, изготовленный классическим способом, но вес аддитивного образца может быть до 60 % меньше.

Снижение веса многих деталей сокращает массу самолета в целом, что способствует уменьшению расхода топлива в течение всего срока службы авиалайнера, а, следовательно, приводит к сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу. Это также положительно сказывается на грузоподъемности, скорости и безопасности воздушного судна.

Прочнее, меньше и быстрее

Аддитивное производство адаптивно к любой геометрии. Если при традиционном производстве изделие создается по принципу вычитания – то есть отсечения лишнего материала от основы, то здесь создание изделия происходит путем сложения, материал добавляется слой за слоем. Это позволяет изготавливать детали большей сложности, а значит объединять несколько элементов в один. Благодаря аддитивному производству, снижается количество соединений между деталями, а изделия, изготовленные из цельного куска, более эластичны и меньше подвержены повреждениям. По данным компании EOS количество деталей в некоторых частях авиадвигателей удалось уменьшить с десяти до одного.

Ещё одно положительное свойство аддитивных технологий – высокая скорость производства. 3D-принтер превращает металлический порошок в готовое изделие за несколько часов или суток, в зависимости от размера объекта. Этому предшествует подготовка – создание 3D-модели, редизайн и другие инженерные расчёты.  Всего процесс создания аддитивного изделия занимает от двух недель до трёх месяцев. В традиционном производстве процесс подготовки длится гораздо дольше и задействует намного больше человеческих ресурсов. Изготовление оснастки, отработка технологии – всё это требует длительных трудозатрат. Для сравнения: производство корпуса первой опоры компрессора вертолетного двигателя классическим методом занимает полгода, а производство такой же детали аддитивным способом – меньше 4 недель.

А что насчёт прочностных характеристик? Обычно детали, изготовленные с помощью аддитивных технологий, устанавливаются в отделы двигателя, подвергающиеся высокому давлению и температурным нагрузкам. Требования к аэродинамическим и гидродинамическим характеристикам инженер может установить ещё на этапе проектирования 3D-модели. Все изделия тщательно проходят стендовые испытания и не уступают в прочности своим аналогам, изготовленным традиционном методом.

Поговорим о минусах

Главный минус аддитивного производства – высокая стоимость изготовления изделий. В первую очередь она формируется из-за дорогостоящего оборудования и сырья. Металлический порошок, используемый в 3D-печати, всегда дороже в сравнении с материалами для традиционного производства. Для его получения металлический слиток распыляют, отделяют нужные фракции и упаковывают с учетом определенных требований.   Сам 3D-принтер представляет собой сложнейшее высокотехнологичное устройство, а себестоимость составляет несколько миллионов рублей. В связи с вышеперечисленным условиями аддитивное производство не актуально для серийного выпуска деталей с простой геометрией, например, шурупов или винтов.  В случае с авиастроением технология подходит идеально, изделие с уменьшенным весом и заданными механическими и прочностными характеристиками можно сделать практически индивидуально под самолет, а всего авиалайнеров не так много. Например, по данным АТОР (Ассоциации туроператоров России) в 2022 году в России был зарегистрирован 1 101 пассажирский самолет.