В НИУ «МЭИ» разрабатывают 3D-принтер для печати самолетов

На сегодняшний день создание детали в современных 3D-принтерах происходит во внутреннем объеме устройства, ограничивающем габариты области печати. Поэтому максимальные размеры изготавливаемой детали зависят от габаритов самого принтера. Чем больше требуемый размер детали, тем больший принтер необходимо построить.

Первая особенность «Робопринта» – печать во внешнем пространстве. Это снимает вышеупомянутые ограничения. Вторая его особенность – многопоточная печать роем роботов. Такое нововведение позволяет значительно ускорить процесс изготовления сложных деталей, «Робопринт» способен напечатать детали, превышающие размеры устройства в десятки раз.

Проект «Робопринт» – это рой роботов-принтеров. Помимо непосредственно печатающей части на движущихся платформах установлены элементы радионавигации, которые координируют действия всех элементов роя. Технология роевого управления никогда еще не применялась для управления 3D-принтерами. Принтер представляет собой платформу на колесной базе, на которой установлена его печатающая часть. Платформа перемещается по координатам в место для печати. Стол (поверхность на которой формируется деталь) расположен над принтером, поэтому сопло направлено вверх.

Печать осуществляется сверху вниз, и после нанесения определенного количества слоев, стол поднимается и принтер продолжает печать. Принтер осуществляет позиционирование в несколько этапов для точного продолжения печати из нужной точки. Он использует инновационную кинематику движения печатающей головки на четырех осях. Процесс изготовления крупной детали разбивается на печать участков, за каждый из которых отвечает определенный принтер. Каждый принтер автономен и имеет на борту запас печатного материала (филамента) и электроэнергии.

На сегодняшний день главная проблема производства сверхбольших машин, к каковым относятся летательные аппараты и ветряки, – их компоновка из множества мелких деталей. Такой подход обладает множеством недостатков. Главный из них – большой вес и сниженная прочность конструкции. Воздушные судна невозможно сделать значительно легче при использовании алюминия. Большой вес приводит к соответствующим затратам топлива на каждый перелет.

Однако, если перейти от алюминиевых деталей к деталям, напечатанным «Робопринтом» из композитных материалов, можно добиться значительного выигрыша в весе. Применение аддитивных технологий позволяет печатать детали не сплошными, а частично заполненными, укрепленными ребрами жесткости и армирующими нитями. Следовательно, изделия сохраняют свои механические свойства и вместе с этим становятся легче аналогичных цельнолитых.

При этом всего один килограмм экономии веса в авиастроении улучшает экологию (снижает выбросы СО₂ на 300 килограммов – 150 кубометров – в год) и сокращает расходы авиаперевозчика на 100 долларов в год, а в космической отрасли экономия составляет и вовсе 1000 долларов за килограмм веса. При этом 3D–печать композитами позволяет снизить вес крупногабаритной детали до 30 процентов аналогичного изделия в металле.

Напомним, что конечная цель – печать самолетов целиком, что упрощает процесс производства. Если учитывать, что к 2050 году количество полетов авиации возрастет в семь раз, то использование технологий 3D–печати композитными материалами открывает огромные возможности в развитии авиастроения.
В производстве ветрогенераторов наблюдается аналогичная тенденция. Одна из самых сложно изготавливаемых деталей в этом процессе – лопасть крыльчатки. Дело в том, что на лопасти приходится колоссальная нагрузка воздушного потока, а потому деталь должна быть прочной, легкой и обладать отличной аэродинамикой. На текущий момент лопасти производят ручной выкладкой по готовым формам. Это значительно ограничивает форм-фактор изготавливаемых деталей, делает производство негибким. Помимо этого немаловажен и вопрос транспортировки деталей.

Нередко случается, что при постройке ветрогенератора возникает необходимость перевести лопасти от завода-изготовителя до места монтажа. И если к ветрогенераторам, устанавливаемым на побережьях, можно транспортировать деталь по воде, то с наземными – дело обстоит иначе. Приходится строить сложные логистические маршруты, перекрывать дороги, по возможности избегать мостов и переправ, ведь лопасти могут достигать в длину до ста с лишним метров. Например, один из самых крупных ветрогенераторов производства компании Vestas имеет размах лопастей 236 метров.

«Робопринт» предлагает разместить производство лопастей ветрогенераторов непосредственно на месте их возведения без форм. Рой роботов печатает цельную деталь без каких-либо шаблонов и трафаретов на строительной площадке. Это исключает риск повреждения детали в процессе транспортировки и позволяет легко возводить ветроэлектростанции даже в самых отдаленных уголках планеты. Также техпроцесс не привязан к конкретным формам и шаблонам, то есть производство становится гибким и легко перестраиваемым. Подобные конструкторские решения уже находят применение на практике и очень востребованы.

В ближайших планах команды печать крупной функциональной детали из композитных материалов: балка, комплект лопастей ветрогенератора, при помощи нескольких одновременно печатающих деталь принтеров. Испытания напечатанных лопастей пройдут на ветрогенераторе учебного полигона НИУ «МЭИ».  

НИУ «МЭИ»

3 статей

НИУ «МЭИ» — ведущий университет России в области энергетики, электротехники, радиотехники, электроники и информационных технологий. Включает 12 институтов, более 100 кафедр и научно-исследовательских лабораторий, опытный завод, уникальную учебную ТЭЦ, полигон возобновляемой энергетики. Объемы НИОКР составляют 1,6 млрд. руб. (2020 г.) В НИУ «МЭИ» обучается более 20 тыс. студентов и аспирантов.

Показать больше