Печать металлопорошковыми композициями: возможности и перспективы применения в приборостроении

23.04.18 |
Автор: Антон Нисан
Издание: Вектор Высоких Технологий №2 (37) 2018
В статье "Цифровые технологии производства: печать металлопорошковыми композициями" 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. 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. 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. 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.

Таблица 1 Требования к фильтру. Источник: CNR-IEIIT

Параметр Значение
Полоса пропускания, ГГц 12,5...15,0
Ослабление в полосе пропускания, дБ ≤ 0,15
Возвратные потери (10lgPпад/Pотр), дБ ≥ 24
Полоса заграждения, ГГц 17,5...21,2
Ослабление в полосе заграждение, дБ ≥ 40
Габаритные размеры, мм 20×20×48
Масса, г < 25
Материал Al сплав

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). 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 рисунке 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 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.

Радиаторы. Как 3D-печать металлами позволяет повысить эффективность применения радиаторов? Во-первых, благодаря возможности изготовления компактных радиаторов с большой площадью поверхности. Во-вторых, аддитивные технологии применимы для производства специализированных радиаторов, в которых материал распределен исходя из тепловой нагрузки. Рассмотрим конструкцию, в которой пластинчатый радиатор 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, 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.

Печать металлопорошковыми композициями: возможности и перспективы применения в приборостроении 0.68 Mb

Запросить информацию

* Фамилия
* Имя
Отчество
* Организация
* E-mail
* Уточните категорию вашего запроса
Текст вопроса

Запросить информацию

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
Город
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран
Текст вопроса

Записаться в демозал

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
Город
* E-mail
* Уточните категорию вашего запроса
Текст вопроса

Запрос на услугу

Выберите интересующие вас услуги:
Приложите файл/фото:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запрос на услугу

Материал изделия, сплав
Количество изделий
Технические требования
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Материал изделия
Максимальные габариты (ДхШхВ или Диаметр х Высота)
Вес изделия
Количество изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Краткое ТЗ
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Тематика обучения:
Другая тематика обучения
Количество обучаемых
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Материал изделия (сплав)
Масса оптимизированного изделия (в кг или % от массы исходной модели)
Функциональное назначение изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Функциональное назначение изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на решение

Выберите интересующий Вас тип решения или услуги для связи с профильным специалистом: Неразрушающий контроль Системы 3D-печати металлом Программное обеспечение Услуги Центра Развития Технологий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Неразрушающий контроль Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Укажите необходимые опции
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Укажите необходимые опции
Материал изделий (сплав)
Функциональное назначение изделий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО:
Количество лицензий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запросить материалы

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail