Аддитивное производство и современное прототипирование
Молодые ученые из Пермского «политеха» активно внедряют инновации в процессе изготовления сложных деталей
Сегодня в России особое внимание уделяется развитию кадрового потенциала в научной сфере. При поддержке национального проекта «Наука и университеты» молодые перспективные исследователи могут работать в современных лабораториях, которые открываются по всей стране. Это способствует привлечению молодых ученых и специалистов к решению актуальных задач по обеспечению потребности российских предприятий в передовых технологиях в условиях импортозамещения и формирования технологического суверенитета страны, а также развитию новых подходов в обеспечении экологической безопасности и здоровья населения.
В Перми благодаря Научно-образовательному центру мирового уровня «Рациональное недропользование» создано шесть молодежных лабораторий. Они открыты в двух ведущих вузах – классическом и политехническом университетах, а также в Пермском федеральном исследовательском центре Уро РАН. Одной из них стала молодежная лаборатория методов создания и проектирования систем «материал – технология –конструкция», появившаяся в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) в 2021 году. Работа этой лаборатории направлена на совершенствование способов аддитивного производства как за счет разработки нового оборудования и технологических приемов производства, так и за счет модернизации уже известных способов.
Аддитивное производство или 3D-печать – инновационный подход создания цельных трехмерных объектов любой формы, путем нанесения материала слой за слоем в соответствии с цифровой моделью.
За три года работы молодежной лаборатории в рамках технологического проекта Пермского НОЦ «Передовые производственные технологии авиадвигателестроения» были разработаны технологии и способы 3D-печати металлических изделий из титановых сплавов для аэрокосмической и авиационной отраслей, что позволило получить свойства конечных изделий, соответствующих требованиям стандартов, а в ряде случаев даже превышающих требования ГОСТ. Впервые в России произведена адаптация технологии плазменной металлизации для реализации процесса 3D-печати, что в конечном итоге позволяет повысить производительность технологии аддитивного выращивания в несколько раз.
Сергей Неулыбин, кандидат технических наук, руководитель Молодежной лаборатории методов создания и проектирования систем «материал – технология – конструкция» ПНИПУ:
– Разрабатываемые нами технологии и приемы для реализации гибридного аддитивного производства позволяют перейти к концепции цифрового производства и значительно снизить временные и экономические затраты при разработке новых изделий и оборудования, а также ремонте уникальных установок. Основная суть процесса заключается в проработке 3D-модели конечного изделия, моделировании процесса и печати, различными технологиями с использованием источника тепла и присадочной проволоки необходимого состава. Использование проволоки в качестве добавочного материала, в отличие от наиболее распространенных способов порошковой печати, позволяет в разы повысить производительность процесса и снизить себестоимость, а разработанные в рамках проекта такие приемы, как деформационное упрочнение и термоциклирование, позволяют получать свойства формируемых изделий на уровне стандартов и минимизировать дефектность таких изделий.
Сегодня наибольшее распространение разрабатываемая технология находит в условиях опытного производства либо в условиях импортозамещения иностранных крупногабаритных компонентов узлов и деталей машин. Отработанные методики и технологии формирования изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов позволяют перейти к технологии 3D-печати изделий сложной формы, для большинства которых ранее применялась технология литья либо фрезерования.
Достигнутые результаты являются прорывными не только для России, но и сопоставимы с лучшими мировыми достижениями. Проводимые исследования, несомненно, являются актуальными, и в эпоху цифровизации служат значительным заделом для перехода к цифровым фабрикам будущего.
Внедрение новой технологии в реальное производство. Результаты работы Молодежной лаборатории методов создания и проектирования систем «материал – технология – конструкция» уже имеют практическую значимость. Так, ведется работа по внедрению технологии для ПАО «КАМАЗ» в области производства деталей коробки передач из высокопрочных алюминиевых сплавов. В рамках лицензионных договоров результаты работы лаборатории переданы на предприятия госкорпорации «Роскосмос» и АО «ОДК». В числе потенциальных заказчиков – также компания S7 Engineering.
Международное научно-техническое сотрудничество. В число партнеров молодежной лаборатории входят крупные российские технологические вузы, конструкторские бюро и отраслевые компании: СПбГПУ, ЮУрГУ, ТПУ, ОАО «Авиадвигатель», ООО «РусАТ» и ООО «ЧМЗ».
Также реализуются проекты в рамках работы международных исследовательских групп с учеными из Мексики, Китая и Индии по различным тематикам, например, таким как «Моделирование послойного синтеза наплавкой проволочных материалов в реальном времени. Разработка прототипа программного обеспечения», «Разработка и совершенствование технологий электронно-лучевого выращивания металлических изделий», «Разработка экспериментальных образцов аддитивных технологий изготовления изделий из магниевых сплавов, основанных на оплавлении проволочного материала плазменным и электронно-лучевым источниками тепловой энергии» и «Разработка прототипа технологии создания системы материал-конструкция с использованием высокопроизводительной плазменной металлизации».
Планы на 2024-2027 годы. В рамках работ по государственному заданию и при финансовой поддержке Научно-образовательного центра мирового уровня «Рациональное недропользование» с 2024 года запущен новый цикл исследований на ближайшие три года. Новый этап исследований будет направлен на углубление полученных знаний, разработку новых решений и преодоление технологических барьеров связанных с мехатроникой систем, алгоритмами управления и внедрению искусственного интеллекта в реализации технологии гибридного аддитивного производства.
Сергей Неулыбин, руководитель Молодежной лаборатории методов создания и проектирования систем «материал – технология – конструкция» ПНИПУ:
– Одним из фундаментальных направлений исследования до 2027 года станет развитие технологии печати изделий с формируемыми закрытыми полостями и возможностью формирования свойств (химического состава, механических и специальных) изделия в процессе печати. Это позволит нам получать изделия, сочетающие в себе необходимый баланс свойств в разных областях. Например, рабочие поверхности в случае необходимости будут обладать большей коррозионной стойкостью, а само изделие – большим сопротивлением к усталостному разрушению.
