Авторы:

Даниил Ракитин, инженер-конструктор  

Игорь Костусев, начальник ПКБ автоматизированных систем управления

Владимир Мокрицкий, инженер-конструктор 

Даниил Шушков, инженер-конструктор

Отдел главного конструктора (ОГК) СПО «Арктика»

В ноябре 2023 года на предприятии ОСК «Арктика» в Северодвинске был создан участок аддитивного производства. Инженеры-­конструкторы отдела главного конструктора электромонтажного предприятия начали получать заявки на обратное проектирование и 3D-печать практически со всех подразделений предприятия, включая филиалы, расположенные в различных регионах России.

За два года работы было изготовлено свыше 45 тысяч деталей, разработано более 188 3D-моделей, освоены технологии послойного наплавления пластика по технологии FDM, а также SLA, которые обеспечивают высокую точность изготовления деталей. Участок аддитивного производства оказал существенную помощь в технологической подготовке произ­водства.

Кроме изготовления оснастки, ремонта и восстановления оборудования Северное производственное объединение «Арктика» прорабатывает возможность серийного аддитивного производства малых подводных движителей (рис. 1), используемых в подводной ­робототехнике, конструкция которых постоянно совершенствуется. Кардинально меняется технология изготовления движителей: внедряются новые композиционные материалы и осуществляется переход от традиционной механической обработки резанием к аддитивным ­методам производства [1].

Рис. 1. Малый подводный движитель

Обзор существующих решений показывает, что традиционные винты для малых движителей, изготовленные методом литья из пластика, обладают высокой прочностью и износостойкостью, однако требуют дорогостоящих технологий запуска производства и сложных процессов обработки. Фотополимерные материалы, особенно при использовании 3D-печати, позволяют быстро создавать прототипы и проводить их тестирование, однако требуют подтверждения их стойкости и эффективности в условиях эксплуатации.

Для изготовления собственного прототипа подводного движителя с помощью аддитивных технологий был проведён анализ российского рынка производителей фотополимерных смол. Свой­ства выбранной смолы представлены в таблице 1.

Кроме того, детали, напечатанные на 3D-принтере данной смолой, характеризуются гладкой поверхностью, высокой точностью размеров и меньшей усадкой при печати. Данная фотополимерная смола обладает устойчивостью к солёной воде и другим химическим веществам, в том числе к большинству органических растворителей и реактивному топливу.

Были проведены испытания движителя, изготовленного на основе данной фотополи­мерной смолы, на солёностойкость: за цикл испытаний отмечено лишь незначительное увеличение размеров на критически важных элементах — винтах, которое укладывается в допуски проекта, сохранена геометрия и работоспособность 

узлов, отсутствовали растрески­вания и набухание, а рабочие параметры оставались стабильными в условиях солёной среды. Эти результаты подтверждают соответствие смолы требованиям по размерной устойчи­вости и химической стойкости к солёной воде.

Для изготовления движителя использовались стандартные методы проектирования — профилирование лопастей, а также упрощённые непрофилированные лопасти.

Для сравнения гидродинамических характеристик изделий был выполнен расчёт простого непрофилированного винта (используется во всех импортных движителях), который работает за счёт угла атаки потока, а не за счёт кривизны лопасти (рис. 2а), и расчёт профи­лированного винта (рис. 2б).

      а)   б) Рис. 2. Общий вида (а) непрофилированного гребного винта и (б) профилированного гребного винта с углом поворота (наклона) 40 градусов

Далее проводилось компьютерное моделирование условий эксплуатации с использо­ванием модуля для моделирования потоков жидкости в CAE-системе — гидродинамическое моделирование, позволяющее анализировать поток вокруг винта, выявлять зоны турбулент­ности и оптимизировать его форму (рис. 3а, 3б). Определённые параметры указаны в таблице 2.

а) б) Рис. 3. Анализ траектории потока и определение тяги (а) непрофилированого и (б) профилированного гребного винта

Далее был проведён расчёт профилированного винта. Пример построения профиля лопастей представлен на рис. 4.

Рис. 4. Пример построения профиля лопастей

На основе полученных данных гидродинамические показатели профилированного винта превосходят показатели непрофилированного, однако оба варианта соответствуют требованиям. На основе полученного гребного винта разработана конструкция движителя (рис. 5).

Рис. 5. Общий вид конструкции движителя

Изготовление движителя (рис. 6) осуществляется на 3D-принтере с использованием выбранной фотополимерной смолы. Для подготовки модели к печати создается файл G-code с помощью специализированной программы-­слайсера (рис. 7).

Рис. 6. Напечатанные компоненты движителя

Рис. 7. Пример G-code для обтекателя движителя, сформированный с помощью слайсера

После изготовления проводится подготовка некоторых частей движителя к заливке компаундом для герметизации по аддитивно-­компаундной технологии. Производится 3D-печать самоармированной пустотелой оболочки, которая заливается наполнителем из эпоксидных смол, свой­ства применяемых смол с отвердителем и пластификатором приведены в таблице 3. Готовое изделие представляет собой функционально-­градиентный материал (рис. 8) [3].

а) 

б) 

Рис. 8. Распределение материалов в традиционном композите и функционально-градиентном материале (а — традиционный композит; б, в — функционально-градиентный материал) [4]

Существует множество модификаций эпоксидных смол, изменяющих предел прочности, вязкости, эластичности, теплостойкости [5]. Пример модифицированной эпоксидной смолы представлен в таблице 4.

После изготовления проводится контроль габаритных размеров и качества с помощью 3D-сканера. Полученные данные сравниваются с исходной расчётной моделью для выявления отклонений и уточнения параметров (рис. 9). В результате контроля обнаружены минимальные отклонения, что подтверждает соответствие изделия заданным требованиям.

Рис. 9. Контроль размеров с помощью 3D-сканирования

Таким образом, в результате проведённых исследований и расчётов был разработан, изготовлен и проконтролирован прототип малого подводного движителя с использованием современных материалов и технологий. Перспективы его внедрения связаны с возможностью быстрого создания серийного образца с улучшенными эксплуатационными характери­стиками. ■

Литература

1. Вельтищев В.В. Проектирование движительных комплексов подводных аппаратов: учебное пособие. М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2019. 167 с.
2. Игнатюк В.И. Лабораторные работы по дисциплине «Численные методы механики». Брест: БрГТУ, 2020.  69 с.
3. Костусев И.Н. Аддитивно-­компаундная технология для производства облегченных композитных материалов с положительной плавучестью на примере «Судового БПЛА». Модификация наполнителя наноматериалом // Судовой электромонтаж. 2023. № 4. С. 79–91.
4. ПНСТ 666‑2022 (ISO/ASTM TR 52912:2020) Аддитивные технологии. Функцио­нально-градиентные материалы. Общие положения.
5. Иржак В.И. Эпоксидные полимеры и нанокомпозиты. Черноголовка: Редакционно-издательский отдел ИПХФ РАН, 2021. 319 с.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 1-2026