Печать металлопорошковыми композициями: возможности в приборостроении и перспективы применения

В статье "Цифровые технологии производства: печать металлопорошковыми композициями"¹ мы затронули преимущества, области применения и саму схему технологического процесса. В данной публикации будет рассмотрена применимость селективного лазерного сплавления в приборостроении.

Анализ преимуществ технологии, включая гибкость и новые возможности проектирования, снижение массы, уменьшение сроков разработки и выхода на рынок, с одной стороны, и тенденций развития приборостроительной отрасли, с другой, позволяет сделать вывод об актуальности использования 3D-печати металлами в авиакосмическом приборостроении (рис 1). Конечно, этим направлением не ограничиваются перспективы применения рассматриваемой технологии в приборостроении, но здесь, на наш взгляд, наиболее полно раскрываются возможности и преимущества технологии.

СВЧ-тракты

Волноводы. Переход на печать волноводов дает следующие преимущества по сравнению с традиционными технологиями: уменьшение количества соединений, уплотнений, крепежа, упрощение сборки, уменьшение массы, повышение надежности системы в целом (рис 2). Конечно, шероховатость поверхности канала (Ra) непосредственно после печати гораздо выше, чем при гальванопластике, и достигает двух-трех десятков микрон, но гидроабразивная обработка (прокачка) потоком суспензии под давлением позволяет снизить ее до значений менее 1 мкм².

Фильтры. В 2017 году компания Airbus Defense and Space закончила испытания, имитирующие условия запуска и работы на орбите, полосовых СВЧ-фильтров, разработанных для коммерческих телекоммуникационных спутников (рис 3). Если раньше внутренние полости таких фильтров изготавливались фрезерованием двух заготовок, которые затем соединялись многочисленными винтами, то селективное лазерное сплавление позволяет получить цельную деталь, устраняя сборочные операции и уменьшая массу на 50 % до 60 г. Более того, сама форма полости напечатанных фильтров может быть ближе к оптимальной, разработанной при моделировании для обеспечения максимальной эффективности, и не достижимой механической обработкой, компенсируя бóльшую шероховатость поверхности аддитивных изделий. Так, ослабление в полосе пропускания приведенного в качестве примера фильтра не превышает 0,2 дБ при требуемом по ТЗ ≤0,35 дБ.

Каков экономический эффект внедрения таких фильтров? Телекоммуникационный спутник типа Airbus D&S Eutelstat KA-SAT содержит около 500 фильтров. При стоимости вывода 1 кг груза на орбиту 20 000 € снижение стоимости вывода при уменьшении массы фильтров в два раза составит 600 000 €.

Для иллюстрации технических характеристик, которые достижимы для печатных фильтров, приведем технические требования к другому СВЧ-фильтру (таблица 1) и его фотографии и результаты измерения коэффициента отражения от входа и коэффициента передачи (рис 4).

Таблица 1 Требования к фильтру. Источник: CNR-IEIIT

Компараторы. СВЧ-компараторы широко распространены в радиолокационных системах для сравнения сигналов с приемных антенн для определения координат цели на основе вычисления отклонения цели от равносигнального направления. Как это работает? Зондирующий импульс отражается от цели и принимается несколькими антеннами: минимум двумя в азимутальной плоскости и двумя в угломестной (по углу возвышения), рис 5. При фазовом методе пеленгации, то есть при сравнении фаз принятых сигналов, антенны параллельны равносигнальному направлению и размещены таким образом, чтобы расстояние между центрами антенн было не больше диаметра каждой из них. При амплитудном методе пеленгации, когда сравниваются амплитуды принятых сигналов, антенны расположены не параллельно, а под небольшим углом к равносигнальному (центральному) направлению. Если разность принятых сигналов нулевая, то антенная решетка ориентирована в равносигнальном направлении, точно на цель. В противном случае по величине разности сигналов определяются углы отклонения цели от равносигнального направления по азимуту и углу места.

Подсистемы. При перепроектировании нескольких элементов СВЧ-трактов, объединенных в одну подсистему, преимущества селективного лазерного сплавления раскрываются еще полнее. Например, на рис 6а приведен эскиз антенной решетки Ка-диапазона 27,5-31,0 ГГц с компараторами и соединяющими их волноводами, ориентированный на изготовление по традиционными технологиями. Перепроектирование с учетом возможностей аддитивных технологий позволило уменьшить количество деталей со 100 до одной, уменьшить массу в 20 раз до 40 г, а также сократить время от начала разработки до выпуска первой партии с 11 до 2 месяцев.

Кронштейны

Перепроектирование кронштейнов с применением бионического дизайна и сетчатых структур позволяет, с одной стороны, обеспечить необходимую прочность и жесткость конструкции, а с другой — существенно снизить массу и сократить сроки выполнения заказа. Например, напечатанный из сплава Ti6Al4V кронштейн для антенны геостационарного телекоммуникационного спутника (рис 7) на 25 % легче традиционного аналога, а время от размещения заказа до отгрузки уменьшено с 10 до 4-5 недель.

Другой пример — сертифицированный в 2015 году компанией Airbus Defence and Space кронштейн для антенны спутника Eurostar E3000. Если до перепроектирования кронштейн собирался из четырех деталей на 44 заклепках, то напечатанный кронштейн — это одна деталь, масса которой на 35 % ниже, а жесткость — на 40 % выше, рис 8.

Радиаторы

Как 3D-печать металлами позволяет повысить эффективность применения радиаторов? Во-первых, благодаря возможности изготовления компактных радиаторов с большой площадью поверхности (рис 9). Во-вторых, аддитивные технологии применимы для производства специализированных радиаторов, в которых материал распределен исходя из тепловой нагрузки (рис 10). Рассмотрим конструкцию, в которой пластинчатый радиатор (рис 10а) монтируется на компонент с двумя участками, активно выделяющими тепло, например, на двухкристальный модуль. В этом случае ребра радиатора, расположенные не над кристаллами, особенно в «зеленой» зоне на рис. 10б, будут слабо участвовать в теплоотводе. И если сегментарно удалить фрагменты ребер из участков с низкой тепловой нагрузкой, то, согласно результатам теплового моделирования, можно уменьшить массу радиатора в два раза при незначительном повышении его теплового сопротивления: всего лишь на 5 %.

Рассмотренные примеры демонстрируют возможность и актуальность применения селективного лазерного сплавления в авиакосмическом приборостроении. Конечно, полноценное применение данной технологии требует перепроектирования изделия, если оно разработано под традиционные технологии. После перепроектирования потребуется изготовление и испытания опытных образцов, причем желательно из отечественных материалов. Поэтому в феврале 2018 года оборудование нашей лаборатории пополнилось установкой селективного лазерного сплавления Renishaw AM400 для отработки технологии печати на отечественных порошках и печати макетов и опытных образцов. Приглашаем вас к знакомству с 3D-печатью металлами на практике и внедрению технологии на ваших предприятиях.

¹Журнал «Вектор высоких технологий» № 5, 2017, стр. 30-41

²Xuanping Wang, Shichong Li, Youzhi Fu, Hang Gao. Finishing of Additively Manufactured Metal Parts by Abrasive Flow Machining. Proceedings of the 27th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference, 2016