ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 3D-ПЕЧАТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 778.64

ОБЗОР ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 3D-ПЕЧАТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

*

Д. А. Анашкин , В. В. Алексеенко, В. И. Шестерня, Г. А. Кирюшкин, Н.С. Жуков Научный руководитель - М. И. Толстопятов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассматриваются разновидности, технические особенности и области применения технологий 3D-печати, применяемых в ракетно-космической технике.

Ключевые слова: технологии 3D-печати, аддитивные технологии, 3D-печать в ракетно-космической технике, SLS, SLM, DMLS.

OVERVIEW OF THE MAIN 3D PRINTING TECHNOLOGIES USED IN ROCKET AND SPACE TECHNOLOGY

D. A. Anashkin*, V. V. Alekseenko, V. I. Shesternya, G. A. Kiryushkin, N.S. Zhukov Scientific supervisor - M. I. Tolstopyatov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

Overview of the varieties, technical features and applications of 3D printing technologies used in rocket and space technology.

Keywords: 3D printing technologies, additive technologies, 3D printing in rocket and space technology, SLS, SLS, DMLS.

В последние годы наиболее перспективной и развивающейся отраслью является аддитивное производство. Это связано с рядом объективных признаков, основными из которых являются сокращение и упрощение технологического процесса, а также оптимизация расходов на производство.

Среди множества различных процессов аддитивных технологий, есть те, которые соответствуют требованиям аэрокосмической промышленности, а именно селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM), электронно-лучевая плавка (EBM) и метод аддитивного производства, использующий дуговую сварку для сплавления металлической проволоки (WAAM).

SLS. SLS (Selective Laser Sintering, селективное лазерное спекание) - процесс аддитивного производства, относящийся к широкому семейству методов синтеза на подложке, к которому также относятся селективное лазерное плавление (SLM), прямое лазерное спекание металла (DMLS), а также электронно-лучевое сплавление (EBM) [1].

При методе синтеза на подложке лазер или электронно-лучевая пушка выборочно спекают частицы порошка, сплавляя их друг с другом, и тем самым создавая слой за слоем.

Характерными особенностями селективного лазерного спекания являются: отсутствие поддержек, не спечённый порошок играет роль необходимой поддержки; высокая

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1

пористость изделий, такие детали имеют характерную зернистую текстуру; основной материал - нейлон; деформации и перекосы, SLS-принтеры не могут точно печатать большие плоские поверхности и маленькие отверстия [2].

SLM, DMLS. Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) и прямое лазерное спекание металла (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) - две этих технологии имеют много общего: обе используют лазер для выборочного плавления (или расплавления) частиц металлического порошка, связывая их вместе и создавая модель слой за слоем. Кроме того, материалы, используемые в обоих процессах, являются металлами в гранулированной форме

[3].

Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса связывания частиц: SLM использует металлические порошки с одной температурой плавления и полностью плавит частицы, тогда как в DMLS порошок состоит из материалов с переменными точками плавления.

Основным преимуществом металлической 3D-печати является ее совместимость с высокопрочными материалами, такими как никелевые или кобальт-хромовые супер сплавы, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами.

SLM и DMLS технологии могут производить детали из широкого спектра металлов и металлических сплавов, включая алюминий, нержавеющую сталь, титан, кобальт, хром. Однако стоимость металлического порошка очень высока (килограмм порошка из нержавеющей стали 316 стоит примерно 350-450 долларов) [3].

Детали прикрепляются к платформе через опорные конструкции. Опора создаётся из того же материала, что базовая деталь. Это условие необходимо для уменьшения деформаций, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки [3].

EBM. Электронно-лучевое сплавление (Electron Beam Melting или EBM) - способ аддитивного производства металлических изделий. В качестве источников энергии для плавки в этой технологии используются электронные излучатели, так называемые электронные пушки. С помощью электронных пучков высокой мощности в вакуумной камере послойно сплавляют металлические порошки и в итоге получают контуры цифровой модели [4].

Важной особенностью данной технологии является возможность одновременного «облучения» нескольких участков заготовки, что ускоряет процесс создания деталей. Производительность оборудования электронно-лучевой плавки составляет 55-80 см3/час, в сравнении с 2-20 см3/час у схожих по размерам лазерных SLS-машин. Однако, в данный момент, электронно-лучевая плавка ограничена точностью 0,2 мм, из-за размера электронного пучка, который составляет 0,2-1,0 мм. Это приводит к небольшой шероховатости готовых изделий.

WAAM. В основе технологии аддитивного производства, использующей дуговую сварку для сплавления металлической проволоки WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) лежит процесс электродуговой сварки. А это значит, что режимы, процессы, металлы, сварочные флюсы, головки для автоматической сварки, диаметр проволоки, защитный газ легко подбираются в полном соответствии с поставленной задачей для получения гарантированно высокого качества шва [5].

Техпроцесс заключается в движение блока с горелкой и расплавлении проволоки. Наплавка происходит в среде инертного/активного газа или в многокомпонентных газовых смесях. Защитный газ изолирует расплавленный металл от газов в воздухе во избежание отрицательного воздействия и придаёт необходимые свойства каждому навариваемому слою.

Основным преимуществом WAAM является его материал это связано со стоимость сварочной проволоки, широким ассортиментом материалов, удобством ее хранения и эксплуатации [5].

А в купе с высокой производительностью (до 5 кг/ч или 450-1000 см3/ч) и возможность работы с крупногабаритными изделиями технология WAAM является очень перспективной в промышленной отрасли.

Однако, определенные ограничения накладывают геометрическая точность, повторяемость и большая толщина слоя проволочных технологий, которые значительно хуже, чем у конкурирующих технологий (газопорошковой наплавки DED и выборочного сплавления LBM).

Библиографические ссылки

1. Что такое SLS 3D печать. Как работает SLS 3D принтер. Обзор аддитивных технологий [Электронный ресурс]. URL: https://3dtool.ru/ stati/chto-takoe-sls-3d-pechat-kak-rabotaet-sls-3 d-printer-obzor-additivnykh-tekhnologiy/ (дата обращения 05.04.2022).

2. Библия 3D-печати: базовые принципы технологии SLS [Электронный ресурс]. URL: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/bibliya-3d-pechati-bazovye-printsipy-tekhnologii-sls (дата обращения 05.04.2022).

3. Как работают 3D принтеры по металлу. Обзор SLM и DMLS технологий. Аддитивное производство. 3D печать металлом [Электронный ресурс]. URL: https://3dtool.ru/stati/kak-rabotayut-3d-printery-po-metallu-obzor-slm-i-dmls-tekhnologiy-additivnoe-proizvodstvo-3d-pechat-/ (дата обращения 06.04.2022).

4. Электронно-лучевая плавка (EBM) [Электронный ресурс]. URL: https://3dtoday.ru/wiki/EBM_print (дата обращения 06.04.2022).

5. Переход к проволочным технологиям - тренд или необходимость? [Электронный ресурс]. URL: https://3dtoday.ru/blogs/ddmlab/perekhod-k-provolochnym-tekhnologiyam-trend-ili-neobkhodimost (дата обращения 06.04.2022).

© Анашкин Д. А., Алексеенко В.В., Шестерня В.И., Кирюшкин Г.А., Жуков Н.С., 2022