Каждый раз, когда вы садитесь в самолет, важнейшим элементом, обеспечивающим доставку вас к месту назначения — будь то деловая поездка или отдых — является реактивный двигатель. Реактивные двигатели приводят в движение большинство современных самолетов и способны перемещать эти огромные аппараты благодаря многоступенчатому процессу, в котором воздух всасывается, сжимается, смешивается с топливом и сгорает, что приводит к расширению газа и мощной тяге. Этот процесс, известный как термодинамический цикл Брайтона, обеспечивается сложной и тщательно спроектированной конструкцией, которая во многом зависит от работы лопаток турбины.

Расположенные сразу за камерой сгорания двигателя, эти лопатки турбины, по сути, преобразуют расширяющиеся газы во вращательную механическую энергию, которая приводит в движение компрессор и обеспечивает непрерывную работу двигателя. Это означает, что лопатки турбины подвергаются воздействию невероятно высоких температур (а также теплового потока), экстремальных центробежных нагрузок, химически агрессивного газового потока и постоянной вибрации. Чтобы быть пригодными для использования в самолетах, эти турбины должны также выдерживать все эти условия в течение тысяч летных часов.

Турбинный двигатель с продольным сечением для изучения расположения лопаток и камер сгорания.

В общем, производительность турбин реактивных двигателей имеет решающее значение для полетов в современном мире, а растущие требования к повышению топливной эффективности в аэрокосмической отрасли выводят проектирование турбин на новый уровень. Как мы увидим, аддитивное производство, и в частности керамическое аддитивное производство, позволяет производителям аэрокосмической техники совершать прорывы в проектировании и производительности турбин. Например, в компании Prodways промышленные системы CERAM PRO для керамического аддитивного производства обеспечивают более эффективный подход к производству лопаток турбин, одновременно открывая возможности для создания более высокоэффективных конструкций турбин. 

Инженерное дело на пределе своих возможностей

При проектировании лопаток турбины инженеры аэрокосмической отрасли должны учитывать три ключевых ограничения: экстремальные температуры, механические нагрузки и аэродинамическую эрозию. Это тройное ограничение делает турбины реактивных двигателей одними из самых сложных конструкций с инженерной точки зрения, требующих сочетания высокоэффективных материалов и инновационного дизайна.

С точки зрения термических нагрузок, лопатки турбины должны выдерживать температуру в газовом тракте выше 1500 °C. Даже некоторые из самых прочных и износостойких материалов, такие как никелевые суперсплавы, могут выдерживать воздействие температур только в диапазоне от 1100 °C до 1150 °C. Это означает, что турбины должны быть оптимизированы для управления тепловыми процессами, с интегрированными системами охлаждения, которые поддерживают рабочие температуры в пределах допустимых значений для данного металла.

Конструкция лопаток турбины должна также учитывать центробежные нагрузки, эквивалентные нескольким тоннам растягивающего напряжения, создаваемые скоростью вращения, превышающей 10 000 об/мин, а также аэродинамическую эрозию, вызванную ударами частиц, микроабразией и дестабилизацией пограничного слоя.    

Поэтому в конструкциях турбин используются геометрические решения, которые смягчают эти факторы износа. Такие элементы, как извилистые внутренние каналы охлаждения, массивы игольчатых ребер и микроскопические отверстия для пленочного охлаждения на поверхности лопатки, защищают лопатки от сильного нагрева сгоревшим газом и обеспечивают их бесперебойную работу. Как говорит компания Prodways: «Изготовление лопатки турбины — это не просто задача, требующая высокой точности. Это слияние материаловедения, термодинамики, гидродинамики и технологического проектирования — все это работает одновременно на грани физических возможностей».

В конечном итоге, чем лучше работают системы охлаждения, тем эффективнее и стабильнее функционируют лопатки турбины, что приводит к повышению топливной эффективности самолетов.

Когда традиционное производство оказывается неэффективным

Однако, как стало ясно в аэрокосмической отрасли, традиционные методы производства лопаток турбин ограничены с точки зрения изготавливаемых геометрических форм и, следовательно, с трудом позволяют создавать турбины, необходимые для питания более эффективных реактивных двигателей следующего поколения. 

На протяжении более полувека литье по выплавляемым моделям является устоявшимся методом изготовления лопаток турбин. Этот процесс основан на ряде этапов, включая: обработку металла методом негативной штамповки, изготовление керамического сердечника, впрыскивание воска вокруг керамического сердечника, нанесение оболочки, выжигание воска, литье из суперсплава, удаление оболочки и, наконец, удаление керамического сердечника. Этот подход, хотя и широко используется и является промышленно отработанным, является жестким и не позволяет легко вносить изменения в конструкцию, необходимые для улучшения работы турбины.

Как отмечает компания Prodways, даже такое незначительное изменение конструкции, как корректировка на 0,5 мм, может потребовать новых комплектов оснастки для изготовления штампов и стержней, перепроектирования и повторной аттестации керамических стержней, а также повторной проверки цикла литья. Таким образом, с точки зрения сроков выполнения, одна итерация для улучшения характеристик может занять от шести до восемнадцати месяцев.  

Более того, традиционные методы производства лопаток турбин ограничены с точки зрения изготавливаемых геометрических форм. Короче говоря, конструкция внутренних каналов охлаждения ограничена тем фактом, что керамические сердечники должны выдерживать извлечение и обжиг без разрушения. Это означает, что наилучшая конструкция с точки зрения термодинамических характеристик часто не соответствует тому, что получается в итоге, и замысел конструкции ограничивается технологическими ограничениями. 

«С точки зрения системной инженерии, узким местом является уже не точность производства, а адаптивность производства в условиях ограничений геометрической свободы», — говорит Продвейс. «Именно эту структурную проблему призвано решить аддитивное производство керамики Prodways».

Технология CERAM PRO набирает обороты. 

Технология аддитивного производства керамики от Prodways предлагается через серию 3D-принтеров CERAM PRO, основанных на технологии DLP MOVINGLight. Созданные для промышленного производства, машины CERAM PRO зарекомендовали себя как ценные инструменты в аэрокосмической отрасли при изготовлении пресс-форм и керамических сердечников для турбин. Эта возможность не только упрощает рабочие процессы производства турбин (за счет исключения необходимости механической обработки штампов и изготовления пресс-форм для керамических сердечников), но и открывает большую свободу проектирования и гибкость итеративного подхода. 

В области аддитивного производства керамики платформы CERAM PRO используются некоторыми производителями аэрокосмической отрасли по ряду причин. Во-первых, технология основана на мобильном оптическом модуле высокого разрешения, который обеспечивает невероятно высокое разрешение печати — критически важное для получения аэродинамических поверхностей, необходимых в турбинах. Компания Prodways также отмечает, что архитектура MOVINGLight разработана для промышленного производства и больших производственных форматов. Это позволяет производителям аэрокосмической отрасли ускорить циклы разработки и итераций, одновременно поддерживая стабильное качество продукции.

Кроме того, технология MOVINGLight совместима с широким спектром технических керамических материалов, включая высоковязкие керамические суспензии с постоянным и плотным соотношением наполнителей . Это означает, что производители аэрокосмической продукции могут работать с высокоэффективными керамическими материалами и получать выгоду от равномерной плотности заготовок. Постоянная плотность заготовок имеет решающее значение для достижения предсказуемых показателей усадки при спекании и обеспечения производства на промышленном уровне. 

В числе материалов, используемых компанией Prodways для производства стержней для лопаток турбин, особое место занимает SILICA SICAST 1200 — техническая керамика, специально разработанная для литья по выплавляемым моделям в таких отраслях, как аэрокосмическая, энергетическая и автомобильная промышленность. Этот быстротвердеющий материал сочетает в себе высокую термостойкость и химическую и механическую выщелачиваемость, необходимые для литья турбин.

Еще одно существенное преимущество для производителей аэрокосмической техники, стремящихся к развитию своего производства, заключается в том, что решения CERAM PRO позволяют изготавливать литейные заготовки непосредственно из цифровой модели. Это означает, что изменения в конструкции могут вноситься в рамках цифровой экосистемы, а затем быстро дорабатываться в виде физической детали. В целом, технология аддитивного производства керамики от Prodways снижает требования к оснастке при производстве турбин, создает более плавный и гибкий рабочий процесс и открывает большую свободу проектирования для повышения эффективности охлаждения (например, более сложные внутренние каналы, подрезы, оптимизированные площади поверхности).

цифровая литейная мастерская Honeywell

Преимущества решений Prodways по аддитивному производству керамики для изготовления турбин не являются теоретическими: сегодня инженеры и производители аэрокосмической отрасли используют эту технологию для проектирования и создания реактивных двигателей следующего поколения . 

В американской компании Honeywell Aerospace, производителе авиационных двигателей и авионики, технология Prodways играет важную роль в разработке лопаток турбин. Как впервые было показано в 2024 году, аэрокосмическая компания использует промышленный 3D-принтер CERAM PRO 365 для 3D-печати литейных форм для турбин, что значительно ускорило циклы разработки и упростило внесение изменений в конструкцию. 

«Традиционные циклы итераций, составлявшие от 12 до 18 месяцев, сократились примерно до 7-8 недель», — говорит Продвейс. «Модификации конструкции, которые ранее требовали полной перестройки оснастки — часто превышающей 1 миллион долларов за итерацию, — теперь выполняются в виде цифровых обновлений с последующим непосредственным изготовлением керамических изделий».

Интеграция аддитивного производства керамики в процесс литья турбин компании Honeywell открыла то, что Prodways называет «цифровой литейной моделью», в которой проектирование и изготовление отделены от циклов физической оснастки. Теперь процесс литья можно разделить на следующие этапы: 

• Проектирование и оптимизация в САПР
• 3D-печать керамической формы
• Литье и удаление форм
• Испытание и проверка лопаток турбины

Если необходимы какие-либо изменения в конструкции, проект САПР обновляется в цифровом виде, и цикл начинается заново, при этом не требуется никаких серьезных переделок оснастки. 

Аддитивное производство меняет правила игры в аэрокосмической отрасли.

Аэрокосмическая отрасль с самого начала развития этой технологии активно внедряла аддитивные технологии, и понятно почему. Только в разработке и производстве турбин аддитивное производство керамики позволило совершить парадигмальный сдвиг, в результате которого замысел конструкции и функциональные характеристики освобождаются от традиционных производственных ограничений. Более того, эта технология облегчает разработку новых конструкций турбин, что является ключом к повышению эффективности и экономии топлива в самолетах. 

Решения Prodways для аддитивного производства керамики играют важную роль не только в внедрении аддитивного производства керамики в производство турбин, но и в индустриализации цифровой модели литейного производства. Это стало возможным благодаря системам контроля геометрии, реологической стабильности, предсказуемости процесса спекания и результатам, соответствующим требованиям квалификации. 

Помимо применения в литье турбин, аддитивное производство керамики может способствовать развитию будущих производственных процессов в аэрокосмической отрасли с использованием передовых керамических материалов. Хотя такие приложения сегодня в основном находятся в стадии разработки, высокоточные технологии аддитивного производства керамики могут помочь ускорить оценку материалов, исследование конструкций и квалификацию технологических процессов.

«Аэрокосмическая отрасль вступает в эпоху, когда производительность больше не ограничивается возможностями проектирования, а производственной инфраструктурой», — заключает Продвейс. «Лопатки турбин — это не просто высокоэффективные компоненты. Они являются индикаторами более широкого структурного перехода: от производства, зависящего от оснастки, к системам цифрового управления производством керамики».

Благодаря линейке CERAM PRO, архитектуре MOVINGLight и специально разработанным керамическим суспензиям для литья по выплавляемым моделям, компания Prodways вносит свой вклад в развитие технологических процессов литья в аэрокосмической отрасли следующего поколения.

Источник