Как вырастить винт: аддитивные технологии в судостроении

ОСК на практике проверила возможность использования в своем производстве аддитивных технологий и собирается активно внедрять их в ближайшем будущем. Уже в этом году корпорация планирует получить первую аддитивную машину отечественного производства. Подробнее об этом новом для корпорации опыте рассказал вице-президент по техническому развитию ОСК ДМИТРИЙ КОЛОДЯЖНЫЙ.

ДМИТРИЙ КОЛОДЯЖНЫЙ, вице-президент по техническому развитию ОСК

ДМИТРИЙ КОЛОДЯЖНЫЙ, вице-президент по техническому развитию ОСК 

- Дмитрий Юрьевич, аддитивные технологии станут одной из важных тем, которые будут обсуждаться в ходе совместной инновационной сессии Ростеха и ОСК. Готова ли ОСК поделиться своими идеями с участниками предстоящей встречи?

- Разумеется! Нам есть что рассказать партнерам, и не только о развитии аддитивных технологий, но и о новых материалах, об организации управления производством в судостроении. Представители наших верфей также готовы обменяться опытом с коллегами по таким важным для корабелов вопросам, как судометрика и сварка в судостроении.

Наша отрасль работает в основном с металлом, поэтому аддитивные технологии на современном уровне развития – это для нас в первую очередь все, что связано с созданием изделий из металла.

- Внедрение аддитивных технологий в судостроении многие связывают с именем ректора «Корабелки»...

- Я знаю Глеба Туричина как одного из мировых ученых в области лазерных и сварочных технологий. Это человек, который уже реализовал возможность применения аддитивных технологий в формате, интересном судостроительной отрасли. Сейчас на рынке существует достаточно оборудования, позволяющего выращивать очень сложные, очень качественные изделия, но они размером с кулак. Классический пример: Всероссийский институт авиационных материалов выращивает ряд деталей для двигателей ПД-14 именно методом аддитивных технологий. Они востребованы, изделие с этими деталями проходит летные испытания.

Мы же в основном работаем с деталями больших размеров. Габариты изделий судового машиностроения иногда измеряются метрами, и здесь не всегда применимы машины с небольшой рабочей зоной, которые сегодня представлены на рынке. Сейчас размер рабочей зоны в среднем составляет не более чем 50х50х50 сантиметров. Это не совсем то, что нам нужно.

- А о каких размерах идет речь в судостроении?

- От метра и больше. Установка Туричина не имеет ограничений по размерам выращиваемой детали. Их размер определяет система перемещения лазерной головки, которой может быть, например, обыкновенный робот, а они бывают с очень большой рабочей зоной.

В качестве материала нам прежде всего интересен металл. Работа со специфическими сплавами, особенно титановыми, требует защитной среды. У этой машины есть защитный герметичный кожух, выращивание идет в среде защитного газа, есть система охлаждения, что позволяет работать десятками часов, выращивая очень сложные и очень большие изделия. То, что сделал Туричин, нас вполне устраивает, и за его технологией гетерофазного порошкового лазерного выращивания мы видим будущее.

- Для изготовления чего конкретно будет применяться новая технология?

- Первое изделие, конечно же, винт. Сегодня мы делаем достаточно качественные винты, конкурирующие с западными по себестоимости. Чтобы сделать качественный, конкурентный винт, нужно иметь очень точную заготовку, для производства которой нужна очень точная форма для литья. Заготовка в данном случае – это отливка огромных размеров: от 0,6 метра для подруливающих винтов и до 8 метров для основных.

Технологии для изготовления форм у нас достаточно старые. Сегодня, чтобы компенсировать это техническое отставание, мы закладываем увеличенные допуски на механическую обработку и получаем заготовку, которая заведомо требует очень большой последующей станочной обработки. В результате мы получаем качественный винт, но из-за сложности и длительности его доработки он становится более дорогим, чем у наших западных конкурентов. Используя аддитивную технологию, мы сможем создать пустотелую конструкцию с очень точной внутренней геометрией, с толщиной стенки приблизительно 0,8–1,0 мм, которая будет основой литейной формы. Дальше эта основа для фиксации засыпается формовочной смесью, и в нее заливается металл. Технология позволяет получить отливку с допусками буквально в 2–3 мм, которая после обработки превращается в высококачественный, конкурентоспособный винт. Тестовый образец такой формы мы уже сделали.

- А почему бы сразу не выращивать сам винт, минуя этап формы с ее последующей заливкой?

- Это как раз следующая возможность. Уровень развития аддитивных технологий уже позволяет вырастить цельный винт, но это будет экономически не эффективно из-за стоимости порошка. Он пока достаточно дорогой. Сегодня аддитивные технологии направлены на замещение очень сложного литья и очень сложной механической обработки.

- То есть речь идет о штучных изделиях?

- Да, пока о штучных. Постепенно, с ростом применения самой технологии, номенклатуры деталей, изготавливаемых с ее помощью, объемов потребления порошка и объемов его производства, сам порошок будет дешеветь и, как следствие, будет снижаться и себестоимость в аддитивном производстве. Однако с точки зрения производства подруливающих винтов уже сейчас есть весомый экономический эффект и перспективы для применения этой технологии. Объясню почему. Чем тяжелее винт, тем больше у него момент инерции, а при подруливании очень важна возможность обеспечения быстрых остановок винта и включения режима обратного вращения. И здесь можно применить бионический дизайн – заимствовать решения, заданные самой природой, для внедрения в технику.

Классические примеры бионического дизайна из мира природы – это клюв дятла или ряд костей в скелете человека. Все они пористые внутри, при этом достаточно жесткие и упругие. Посмотрите, какие нагрузки несет скелет человека или как эта птичка справляется с древесиной. Сегодня компьютерные технологии позволяют не просто проектировать пористые структуры, а создавать расчетно-смоделированные микроферменные структуры, которые позволяют кратно снизить массу, при этом не потерять в нужных нам свойствах.

До недавнего момента вопрос, как изготовить такого рода изделия, оставался открытым. Технология гетерофазного порошкового лазерного выращивания позволяет выполнить эту задачу. Причем выращивание возможно в любом направлении, а не только снизу вверх, как в классических аддитивных технологиях.

- Там деталь растет послойно?

- Да, а здесь, так как частицы подаются в струе воздуха под небольшим давлением, нет разницы, в каком направлении выращивать изделие. Это дает возможность уменьшить количество оснастки и технологических поддержек либо вообще уйти от них. Допустим, винт. Это, по сути, втулка, к которой прикреплено несколько лопастей сложной геометрической формы. Выращивать лопасть можно под углом, и тогда не придется организовывать вертикальные поддержки, которые были бы нужны при выращивании этого винта послойно.

Следующее значимое применение этой технологии – судоремонт. Оно открывает для нас огромные перспективы по увеличению выручки и привлечению новых клиентов. Не секрет, что многие, особенно частные, судовладельцы считают деньги на эксплуатацию судна и работы, связанные с его ремонтом. Поэтому для собственников важен выбор: заменить износившуюся деталь на новую или восстановить старую. Технология гетерофазной лазерной металлургии открывает огромные перспективы по восстановлению судовых деталей. Например, валы и валолинии, которые изнашиваются и которые можно нарастить, а затем обработать.

- Технология лазерной наплавки валов используется с конца девяностых…

- Здесь важен вопрос цены. Вал – это классическое тело вращения. И понятно, что существуют старые технологии наплавки проволокой, электродами. Но есть изделия, где нужно восстанавливать очень сложную геометрию, причем там геометрия второго и более высоких порядков, если говорить о поверхностях. Гетерофазная технология на порядок, а то и больше уменьшает тепловнос в изделие – оно, в отличие от выполненных с применением наплавочных технологий, при обработке практически не коробится. Берем то же самое восстановление винтов. Это сложные поверхности, и новая технология позволяет во многих случаях не просто восстанавливать какую-то зазубрину, а даже дорастить часть лопасти. Мы проводили исследования, которые демонстрируют очень хорошую адгезию с основным материалом винта.

В основе обсуждаемой нами технологии лежит лазерный луч. Лазерный луч для нас – это ряд сопутствующих гетерофазной металлургии технологий, которые в одной установке позволяют производить операции либо с выращиваемым, либо с ремонтируемым объектом. Мы понимаем, что любое увеличение производительности при аддитивном производстве влияет на качество поверхности, увеличивает ее шероховатость. Но здесь можно найти баланс. Быстро выращенное изделие можно доработать, используя технологию адаптивной механической или электрохимической шлифовки.

Мощности лазера хватает, чтобы обеспечивать и резку, и сварку, и наплавку, и выращивание. Лазер, выполняющий все эти работы, один и тот же.

- А что меняется?

- Исполнительная головка, режим, управляющая программа. То есть отключается подача порошка, а дальше вступает в действие работа самого лазерного луча.

Но и это еще не все. Рассмотрим аналогию с черно-белым и цветным струйным принтером. Что такое черно-белый принтер? Есть один тип чернил – черные, которые подаются в форсунку, а она, перемещаясь, формирует изображение на листе бумаге. Что такое цветной принтер? Это несколько типов чернил. Они подаются из картриджей в форсунки, и те формируют уже цветное изображение. Точно так же и эта установка может использовать сразу несколько типов порошка. Это дает два вида возможностей.

Первая рождается при дискретном управлении подачей каждого типа порошка по принципу: есть порошок – нет порошка. Вторая возможность возникает при плавном управлении их подачей, когда один порошок подмешивается к другому в той или иной пропорции.

В первом случае можно получить «скелетные» конструкции, где «скелет», или остов, изделия из одного материала, а тело, обладающее некими другими свойствами, сделано из другого материала.

При плавном регулировании этого процесса мы можем получать изделия с градиентными свойствами, что само по себе уникально. Поэтому в будущем, я надеюсь, вопрос, из какого материала сделана эта деталь, потребует дополнительного уточнения: в каком месте?

Приведу пример из той же авиации, точнее, авиационного двигателестроения. Можно сделать лопатку двигателя, у которой замковая часть выполнена из материала, обеспечивающего ее надежное крепление. Дальше, добавляя в основной материал лопатки (например, титан) алюминий, можно сформировать перо лопатки из интерметаллида титана, тем самым снизив почти вдвое вес детали и обеспечив при этом те же самые прочностные свойства. Вариаций использования нескольких материалов при выращивании очень много. Поэтому детали с градиентными свойствами – это тоже будущее аддитивных технологий.

- Насколько быстрее и дешевле получается результат относительно традиционной технологии?

- Мы просчитали и по монолитным винтам получили практически двукратное снижение цены. Но опять же, винт винту рознь. Если говорить о сложных винтах, например, для ряда военных изделий и так далее – снижение будет значительным. В случае с подруливающими винтами, кроме снижения себестоимости, речь идет об улучшении свойства всего изделия: судно становится более маневренным. Что касается изготовления деталей, то снижение себестоимости произойдет минимум в пять – десять раз. И это без учета устранения литейного брака и его «лечения», стоимости проектирования, изготовления и содержания оснастки, а также выигрыша за счет роста оборачиваемости.

Помимо формального подхода к формированию заготовки, аддитивная технология открывает целый ряд возможностей по созданию изделий с уникальными механическими свойствами, которые ранее были недоступны. Например, для подводного кораблестроения очень важна малошумность. Работая с различными вариациями по расчету полостей, можно достичь оптимального снижения шума при работе винта.

Думаю, за ближайшие три – пять лет произойдет переход от однокомпонентных аддитивных деталей к многокомпонентным.

- Когда у вас появится первый аддитивный принтер?

- Надеюсь, что в следующем году у нас уже будет аппарат, который позволит выращивать изделия размером до двух метров. Но сначала нужно будет отработать технологию и материалы, провести сертификацию.

Начиная со следующего года мы будем направлять несколько десятков миллионов в год на доработку этой технологии: исследование интересующих нас материалов, отработку режимов выращивания и так далее.

По моей информации, тут мы опережаем наших западных коллег. И для нас, и для них важна стабильность технологии и постоянство получаемых свойств. Все это прямым образом влияет на безопасность эксплуатации кораблей и судов, а безопасность превыше всего не только у нас, но и на Западе. Сейчас все машиностроительные рынки, будь то авиация, судостроение и так далее, глобальны. Приходится конкурировать именно с западными компаниями, а требования везде достаточно жесткие. Внедряя аддитивные технологии прямого выращивания, мы выполняем ряд основных задач, стоящих перед отраслью: снижение себестоимости, сокращение времени изготовления изделий машиностроительной части и всего строительства кораблей и судов.

Комментарии к статье
07.01.2018 20:28
0

Всем привет

Комментировать
13.01.2018 00:52
0

Да именно за этим настоящие

Комментировать


UP-PRO в сетях