Будущее лазеров: новые методы обработки материалов ускоряют создание деталей со сложной геометрией
Трудно поверить, но первый лазер появился всего 56 лет назад, в 1960 году. Уже в 1980–1990-е годы произошел резкий скачок в развитии лазерных технологий. И сегодня многие отрасли производства, в том числе машиностроительные, сложно представить без использования лазера. Но прогресс не стоит на месте, и в ближайшие годы большие надежды в авиастроении связаны с применением лазерных технологий при обработке различных конструкционных материалов.
Мы решили заглянуть в лаборатории и цеха Национального института авиационных технологий (НИАТ) на юге Москвы, где нашли применение лазеру при развитии самых разных технологических процессов — от синтеза деталей из металлического порошка до финишной обработки поверхности.
Большая часть современного оборудования, используемого для этих работ, разработана и изготовлена специалистами НИАТ.
Лазерный послойный синтез 
Генеральный директор института Виталий Плихунов показывает один из самых интересных участков производства — установку, в камере которой происходит выращивание деталей с помощью технологии лазерного послойного синтеза. На платформе размером 250 на 250 миллиметров с помощью лазера можно выращивать различные детали из титана, алюминия или жаропрочных марок стали. Плавление исходного материала — металлического порошка — слой за слоем обеспечивает выращивание деталей в течение 6–8 часов. Всего при помощи технологии лазерного послойного синтеза для авиации в России выпускают несколько десятков различных деталей, в том числе лопатки газотурбинных двигателей, форсунки, корпусные детали и т. д. И это только начало!..
Для выращивания будущей детали требуется ее 3D-модель, которая с помощью специальной программы разбивается на множество тонких слоев. Затем в камере установки требуемая деталь воссоздается путем переплавления лазерным излучением металлического порошка по всей площади каждого слоя формируемой детали. За один раз можно одновременно выращивать несколько разных деталей. Важно, чтобы дистанция между изделиями была не менее пяти миллиметров, — так гарантируется непопадание брызг расплавленного металла на соседние детали. Процесс происходит в камере, заполненной газом (в зависимости от сплава используют азот или аргон).
При необходимости изготовления деталей из другого материала на замену порошка в камере требуется всего 3–4 часа. За это время камера чистится при помощи специального пылесоса.
По словам заместителя директора научно-технического комплекса НИАТ Сергея Богданчука, использование лазера позволяет с высокой точностью изготавливать детали, которые вообще невозможно сделать с использованием традиционных технологий: литья или фрезерования, либо их производство занимает длительное время.
Послойный синтез незаменим при создании образцов для испытаний двигателей и агрегатов. Их изготовление при помощи традиционной фрезерной обработки занимает от нескольких недель до нескольких месяцев. Лазерный послойный синтез в зависимости от детали позволяет создать опытный образец всего за 4–12 часов. С учетом времени на финишную обработку — шлифовку — весь процесс изготовления детали укладывается в 1–2 рабочих дня. «Технология помогает сокращать время на подготовку детали к испытаниям с нескольких месяцев до нескольких дней, когда срочно требуется получить сложное технологическое изделие с учетом доработок после первичных испытаний», — говорит Сергей Богданчук.
Послойный синтез позволяет выпускать детали со сложной внутренней геометрией. При создании внутренних каналов топливных систем и систем охлаждения он обеспечивает необходимый уровень однородности металла, что недостижимо при традиционном литье, из-за чего до половины высокоточных деталей приходится отправлять в переплавку.
В последнее время благодаря появлению нового поколения оборудования (пока иностранного) стало возможным выращивание деталей большого размера. Также важно отметить, что в России начато производство металлических порошков. Все это позволяет утверждать, что лазерный послойный синтез прочно занял свою технологическую нишу в области промышленных технологий.
Сглаживая шероховатости
Одна из особенностей технологии послойного синтеза — необходимость последующей обработки поверхности. После выращивания детали часто требуется провести финишную доводку при помощи механообработки, обычно фрезерованием. Более современная технология — лазерная поверхностная обработка. Технологическим комплексом по лазерной поверхностной обработке, спроектированным и изготовленном в НИАТ, управляет Олег Орешкин, выпускник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Олег — один из многих молодых аспирантов института. За время работы в НИАТ он побывал на нескольких стажировках за рубежом, в том числе, во Фраунгоферовском институте лазерной техники в немецком городе Аахен.
Олег демонстрирует одну из наиболее важных операций — полирование поверхности детали при помощи лазерного луча. Лазер расплавляет металл на поверхности детали, а затем жидкая ванна расплавленного материала размером всего в несколько десятых долей миллиметра движется по поверхности вслед за движением луча.
Под действием сил поверхностного натяжения металл разглаживается. После затвердевания он формирует поверхность со значительно меньшей шероховатостью. При такой обработке не происходит значительного испарения металла, поэтому полирование поверхности можно производить без припуска на чистовую механообработку, без опасения «снять» слишком много материала.
Большая часть обрабатываемых деталей — высокоточные лопатки для авиадвигателей. Лазерная обработка изначально предназначена для поверхностей со сложным контуром, так как движение лазерного луча при современном уровне развития систем ЧПУ можно запрограммировать практически для любой поверхности. Лазер позволяет обрабатывать сложнодоступные места деталей, которые раньше не могли быть обработаны с помощью традиционных лезвийных и абразивных инструментов.
«В настоящее время появился ряд факторов, которые способствуют расширению применения лазерных технологий в промышленности. Существенное снижение стоимости источников лазерного излучения, наряду с развитием систем ЧПУ позволило сделать лазерные технологии более доступными там, где раньше использовались более традиционные методы обработки», — говорит Олег.
Лазерные технологии уже получили широкое распространение за рубежом. По некоторым данным, более 15 тыс. деталей Boeing 787 Dreamliner печатаются на 3D-принтере.
В Китае имеются мощности, позволяющие напечатать раму лобового стекла для авиалайнера Comac C919 всего за 55 дней при стоимости менее 200 тыс. долларов: европейские производители тратят как минимум два года и два миллиона долларов. В этом году китайские специалисты напечатали 5-метровый титановый центральный лонжерон крыла для пассажирского самолета Comac C919 весом 136 кг.
Пока в России лазер используется, в основном, при испытаниях и разработке прототипов деталей. Для того, чтобы лазер занял полноценное место в серийном выпуске деталей, требуется провести еще множество согласований и административной работы.
Работа не по шаблону
На фото: Участок механической обработки на «КАПО-Композит». Операция контроля геометрии детали с использованием лазерного трекера.
На предприятиях ОАК и у смежных организаций лазерные технологии все активнее появляются на самых разных участках производства. Это и резка стекла и металла, и измерения. Стыковка фюзеляжа и крыла для МС‑21 выполняется тоже с помощью лазера, что существенно повышает точность и безопасность этой операции.
Внедрение лазерных технологий в процессы сборки летательных аппаратов позволило реализовать стыковку самолета с отработкой органов управления и механизации крыла, контроль макрогеометрии планера. Контроль геометрических форм агрегатов также проводится с применением бесконтактных лазерных измерительных систем.
Широкое использование мобильных координатно-измерительных систем (лазерных трекеров), основанных на 3D-информации, в технологических процессах сборки летательных аппаратов позволяет проводить взаимную увязку не только агрегатов, но и сборочной оснастки. Это происходит за счет определения фактических координат базовых точек монтируемых элементов конструкции в пространстве и сравнения их с номинальными значениями, заданными в объемной электронной координатной модели. Так обеспечивается увеличение точности сборочных работ.
Что на сегодняшний день является основой качественного производства? На это есть несколько ответов — это и эффективное управление, и квалифицированный мотивированный персонал, и высокоточные отработанные технологии.
Рассмотрим лазерные технологии, применяемые на заводе «КАПО-Композит» в Казани. Продукция предприятия — композитные элементы механизации крыла воздушного судна и хвостового оперения. Изготавливаются изделия методом автоклавного формования. На этапе выкладки заготовок на оснастку применяются лазерные проекционные системы. Сам процесс по внешнему виду кажется простым — по проекции лучей на оснастке выкладываются заготовки препрегов (выкроенные куски углеродного материала, пропитанного смолой), клеевых пленок и сотового заполнителя. Однако чтобы выполнить эту простейшую операцию, предварительно выполняется огромная работа.
Для начала конструктор по техническому заданию разрабатывает электронную модель детали, закладывает для ее изготовления определенные материалы, составляет схему укладки слоев. Помимо полнотелой электронной модели, создаются послойные модели выкладки слоев детали на основе схемы укладки.
Дальше, утвержденная конструкторская документация с электронной моделью поступает на проработку к технологам. На этом этапе выбирается оснастка, выполняется расчет материалов, закладываются технологический маршрут изготовления детали.
После поступления математической модели к технологам по программированию выполняются важнейшие операции. Сначала разрабатываются программы раскроя для автоматизированного раскройного комплекса и программы выкладки для лазерной проекционной системы, которые увязаны между собой через математическую модель, разработанную конструктором. Разработка программы дело не простое, надо учесть базы для выкладки, порядок выкладки, особенности технологии.
Теперь, когда программы разработаны, происходит «зарождение элемента». Заготовки, раскроенные по программам, передаются на участок выкладки. Там лазерные проекторы, запрограммированные на определенную схему укладки слоев, подсвечивают место выкладки.
Высокая точность, абсолютная последовательность и низкое влияние «человеческого фактора» — вот основные плюсы современной лазерной системы проецирования. Их применение — абсолютно новый подход к производственному процессу по сравнению с прежней системой плазово-шаблонной выкладки.
Второе направление применения лазеров на «КАПО-Композит» — системы контроля и измерения, а именно лазерный трекер. Данное устройство вкупе с электронной моделью в конце 90-х — начале 2000-х годов перевернуло, казалось, навечно закрепившуюся технологию контроля изготовления оснастки и деталей по шаблонам.
Применение лазерного трекера значительно сократило время контроля для крупногабаритных деталей и оснастки. В несколько раз увеличилась точность позиционировния деталей и агрегатов в первую очередь на стапелях и сборочных станциях.
Облако точек, образуемое при контроле с использованием лазерного трекера в программном продукте, накладывается на математическую модель и производится автоматический расчет дельты отклонения. Фактически, специалист получает онлайн-карту соответствия детали конструкторской документации.
Развитие лазерных технологий на сегодняшний день находит широкое применение в авиастроении. Применение новых технологий, в том числе оборудования с лазерными системами, помогают изготавливать высококачественную продукцию. Остается вовремя отслеживать тенденции технического рынка и улучшать качество продукта за счет введения в производственный процесс прогрессивного, высокоточного оборудования и технологий на условиях внедрения новых конструкций в авиационной технике.
Лазеры против пожаров
В отдел снабжения Летно-исследовательского института им. М. М. Громова поступает необычная заявка — табачная махорка, а в отделении № 6 из комнаты экспериментов по этажу разносится крепкий запах табачного дыма. При всем том, никто из сотрудников не курит. Табачный дым в данном случае — необходимый элемент для испытания нового датчика задымления для бортовых систем дымоизвещения.
«Летом этого года сотрудники ЛИИ им. М. М. Громова завершили работу по созданию датчика задымления для бортовых систем дымоизвещения нового поколения, — рассказывает заместитель начальника лаборатории Петр Кушев. — Новый датчик придет на смену приборам предыдущего поколения, разработанным еще в семидесятых годах прошлого века».
«Старые датчики задымления точечного типа для выявления дыма использовали фоторезисторы и излучение лампы накаливания, — добавляет разработчик Алексей Куценко, — настраивать их можно было на 20–50 процентов снижения прозрачности среды в объеме отсека рядом с сигнализатором. В салоне крупного самолета — например, на широкофюзеляжном Ил‑96 или в грузовой кабине военно-транспортного Ил‑76 — для надежной работы системы необходимо было установить до сорока подобных приборов».
Новый прибор ЛИИ им. М. М. Громова весом около килограмма использует для выявления задымления обратное рассеяние от лазерного излучения на частицах дыма. Использование лазера позволяет существенно улучшить безопасность.
С его помощью можно настраивать датчик на уровень прозрачности среды в объеме отсека 95–96 процентов, не хуже, а иногда и лучше, чем у импортных аналогов. Кроме того, для контроля салона и кабины крупного самолета можно обойтись использованием всего одного прибора. Из-за неравномерности распределения дыма по салону самолета датчикам предыдущего поколения иногда требовалось до 5–10 минут для выявления задымления (снижения прозрачности среды на 20–50 процентов). Датчик нового поколения выявляет опасность всего за несколько секунд.
Для проведения испытания в дымовой камере «раскуривают» около 200 граммов махорки. Но скоро им. М. М. Громова резко сократит закупки табака. Основные стендовые испытания проведены, следующий шаг — начало летных испытаний датчика задымления. А за ним недалеко и до начала промышленного производства.