Сегодня одним из главных приоритетов авиационной промышленности является разработка и внедрение более эффективных двигателей, которые потребляют меньше топлива и, следовательно, экологичны и экономичны. Ключевым моментом при изготовлении улучшенных механизмов является технология литья по выплавляемым моделям с применением керамических стержней, используемая при производстве лопаток турбин, которая позволяет создавать сложные конструкции при помощи литейных стержней.

Данные объекты непросто изготовить с необходимой конфигурацией, включающей внутренние каналы охлаждения. Традиционные промышленные методы обходятся дорого плюс требуют много времени, поскольку конечный продукт должен быть изготовлен из нескольких частей и собран. Кроме того, некоторые модификации, существенно влияющие на итоговую стоимость, вносятся в конструкцию заготовки на протяжении всего производственного цикла.

Французский эксперт в области трехмерной печати 3DCeram предложил изготавливать сложные элементы для лопастей турбины двигателя с использованием технологии 3D-печати с лазерной стереолитографией (SLA) и инновационного материала SILICORE. Такой подход стал возможен благодаря партнерству с Конструкторским бюро Ивченко, государственным поставщиком услуг из Украины, специализирующемся на проектировании и разработке авиационных двигателей.

Преимущества инновации

В основе построения литейных стержней 3DCeram лежит лазерная технология SLA, которая позволяет создавать детали путем выборочного отверждения фотополимеризуемой керамической суспензии с применением управляемого компьютером УФ-лазерного луча. При выпуске таких изделий сырье является критическим фактором: виды керамики классифицируются в зависимости от типа сплава, используемого в производстве, поэтому на начальной стадии заливки не происходит химической реакции между стержнем и металлом. Выбранный состав также должен обладать термической и механической стойкостью, чтобы выдерживать металлическую отливку, иметь низкий коэффициент теплового расширения (КТР), сохранять стабильность массы или размеров в процессе изготовления, а также обладать хорошей выщелачиваемостью после процедуры охлаждения металла.

Для приложения, отвечающего за выпуск элементов литейных форм, предназначенных для лопастей турбин, компания разработала SILICORE. Сырье мало отличается от других составов на базе диоксида кремния, которые десятилетиями использовались при отливке турбинных деталей из сплавов никеля. Ресурс выделяется превосходной термической стабильностью, обусловленной низким КТР (около 0,6 × 10 -6K-1) и хорошей термостойкостью. Кроме того, изделие на основе диоксида кремния имеет высокую выщелачиваемость, а после заливки может быть легко удалено с использованием раствора соды или калия, которые безвредны для сплавов. Производитель подчеркивает, что спекание ядра из диоксида кремния приводит к образованию кристобалита, что обеспечивает его термостойкость и существенную стабильность размеров.

В целом аддитивная технология предлагает ряд преимуществ при литье по выплавляемым моделям с применением керамических стержней:

• гибкость конструкции;
• более высокая степень сложности стержня;
• быстрая итерация новых дизайнов;
• повышенная прибыльность за счет меньших инвестиций в обслуживание и хранение инструмента.

Тестирование новых ресурсов

В прошлом году компания 3DCeram в партнерстве с конструкторским бюро Ивченко проверила рецептуру SILICORE на 3D-принтере CERAMAKER 900, предназначенном для производства турбинных лопаток. Оборудование уменьшает ограничения, существующие в стандартном промышленном процессе, а пористый материал с повышенной прочностью устойчив при необычных условиях.

Вместе партнеры стремились достичь оптимальных результатов 3D-печати с гарантией уровня качества, равного классу традиционных методов. В конечном итоге стержень, напечатанный на 3D-принтере из SILICORE, был протестирован с использованием литья по выплавляемым моделям.

На первом этапе компании объединили 3D-печать керамики с устоявшимся методом измерения с использованием механических датчиков. Это позволило успешно распечатать деталь на 3D-принтере и встроить его в восковую отливку. Полученная форма с внутренним керамическим стержнем прошла рентгеновский контроль, который показал, что объект не деформировался, не имеет трещин или повреждений.<

На следующем этапе украинское ОКБ смонтировало отливочные опоки и выполнили заливку сплава на основе никеля в литейные формы. После выщелачивания керамического стержня  для получения каналов охлаждения каждая лопатка прошла дополнительную проверку, включая рентгеновский контроль и ультразвуковой анализ. Первое тестирование доказало, что материал был успешно удален во время выщелачивания, а второе использовалось для измерения толщины нескольких участков лопатки.

В конечном итоге процесс 3D-печати на оборудовании 3DCeram из керамики SILICORE был успешно применен для производства элементов лопаток аэрокосмических турбин. На протяжении всего цикла литья промышленные испытания подтвердили, что свойства инновации соответствуют требуемым спецификациям. После этого конструкторское бюро Ивченко квалифицировало данный материал как пригодный для изготовления литейных стержней.