Двухтонную оснастку для изготовления деталей самолетов напечатали из стали
Машиностроение выходит на новый уровень — в Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) напечатали из стали штамповочный пуансон (Stamp Form Die — SFD) высотой 1,8 метра, шириной 1,2 метра и весом почти две тонны. Сейчас оснастку доводят до ума, чтобы отправить на завод Boeing, где с ее помощью будут штамповать детали из термопластичных композитов.
Термопластичные двери самолетов делают путем штамповки горячего пластика между двумя металлическими SFD. Эти формы изготавливаются традиционными методами металлообработки — механической обработкой, литьем, ковкой и сверлением. Целью сотрудничества Boeing с ORNL стало внедрение 3D-печати для удешевления и ускорения производства пресс-форм.
ORNL накопила достаточный опыт в сфере аддитивного производства с дуговой сваркой проволокой (WAAM). В Демонстрационном центре лаборатории работает «принтер» Arc-1 — роботизированная рука со сварочной горелкой, которая плавит проволоку и послойно формирует металлические детали. В отличие от большинства похожих систем, Arc-1 может печатать несколькими видами металла одновременно, подавая несколько проволок.
«Многоматериальное WAAM позволяет реализовать совершенно новые конструкции, сочетая точно настроенные механические характеристики с экономией времени и средств», — пояснил старший инженер-робототехник Анджей Ныч из ORNL.
В SFD для Boeing в структурных зонах используется малоуглеродистая сталь для прочности и жесткости, а на поверхности формы осаждается нержавеющая сталь для коррозионной стойкости, размерной стабильности и долговечной рабочей поверхности.
Для циркуляции нагревающих и охлаждающих жидкостей в таких штампах обычно сверлят длинные прямые отверстия, а благодаря 3D-печати можно создать точно повторяющие форму оснастки каналы. Это помогает эффективнее греть и остужать деталь при изготовлении.
Одной из главных сложностей 3D-печати металлом было коробление. По мере остывания осажденного материала внутренние остаточные напряжения вызывают скручивание и изменение размеров. Решением этой проблемы стали временные ребра жесткости на обратной стороне SFD — благо их конфигурацию легко рассчитать в ходе компьютерного проектирования. После 32 итераций моделирования была получена форма, отклонение от заданной геометрии которой составило считанные миллиметры.
Напечатанную форму отправили в Baker Industries в Мичигане для отжига с целью снятия внутренних напряжений. Затем временные ребра жесткости срезали. Baker Industries выполнила все оставшиеся производственные операции, чтобы довести SFD до полного соответствия требованиям Boeing.
Не все части финальной оснастки напечатаны на 3D-принтере. Хотя ей и предстоит практическое применение, это скорее доказательство жизнеспособности концепции — и бесценный опыт.
«Мы использовали это как тестовый пример. Его успех означает, что технологию можно применять для создания крупных термопластичных конструкций и в других отраслях, например в энергетике и автомобилестроении», — резюмировал Ахмед Араби Хассен, руководитель группы инноваций в области композитов ORNL.
