50158024
Заказать обратный звонок
Ваш запрос отправлен.
Наш менеджер свяжется с вами в ближайшее время!
+7 (495) 956-7770
Применение 3D принтеров по металлу Concept Laser для производства спутников

Наибольшая в Европе металлическая 3D-деталь с улучшенной топологией для спутников Koreasat-5A и 7 изготовлена в рамках совместного проекта Thales Alenia Space и Poly-Shape на промышленном 3d принтере Concept Laser X-Line.

Лихтенфельс (Германия), 11 июля 2016 г. Аддитивное производство давно вышло за рамки громких обсуждений. 3D печать металлами становится промышленной революцией, вдохновляя на перемены в производстве. Налицо фундаментальные изменения в подходах к получению изделий из металла. Аддитивное производство формирует будущее, заменяя традиционную машинную обработку или дополняя ее в рамках гибридного подхода.

Авиакосмическая промышленность снова подтверждает ведущие позиции в освоении цифрового производства, задавая тон в инновациях. На этот раз новостями порадовала компания Thales Alenia Space. При поддержке специализирующейся на 3D печати компании Poly-Shape здесь изготовили аддитивным способом детали для новых южнокорейских спутников связи Koreasat-5A и Koreasat-7. В 2017 г. спутник Koreasat-7 будет выведен в орбитальную позицию 116º восточной долготы: он будет обслуживать Южную Корею, Филиппины, Индонезию и Индию. Спутник Koreasat-5A (113° восточной долготы) ориентирован на Корею, Японию, Индокитай и Ближний Восток. Дата запуска — до второго квартала 2017 г.  

Сверхбольшая деталь как результат эффективного сотрудничества

Опоры для антенн в спутниках Koreasat-5A и Koreasat-7 станут самыми большими деталями, изготовленными в странах Европы методом лазерного плавления металлических порошков. При габаритах 447 x 204,5 x 391 мм3 они весят всего 1,13 кг, поэтому с полным правом могут называться облегченными — достойный образец конструкторской мысли. Изготовленные по аддитивной технологии две одинаковые 3D-детали станут базовыми опорами для антенн, поддерживающих связь спутников Koreasat-5A и Koreasat-7 с наземными станциями. Наибольшую сложность для компании Thales Alenia Space представлял размер этих опор. За изготовление изделий отвечала французская Poly-Shape, успешно сотрудничающая с авиакосмической отраслью по направлениям прототипов, 3D печати металлами и сборки.

Преимущества — малый вес и сокращение затрат

Для деталей спутников часто используют алюминий (Al), легкий металл с отличной теплопроводностью. Чем меньше доставляемый на орбиту вес, тем лучше. По словам Флоренс Монтредон, возглавляющей отдела аддитивного производства в Thales Alenia Space, вывод на орбиту 1 кг массы в среднем обходится в 20 000 евро, поэтому счет здесь идет в прямом смысле на граммы. «Исходный вес двух новых спутников составил порядка 3500 кг», — добавила она. В поисках вариантов уменьшения веса было решено отказаться от традиционного производства в пользу аддитивного. Для опор Thales Alenia Space выбрала сплав AISi7Mg, отвечающий требованиям к материалам для космоса — высокая прочность, жесткость, устойчивость к коррозии. Испытания  готовых изделий выявили низкую пористость — менее 1%. Кроме того, хорошие результаты показала проверка прочности на разрыв и сдвиг. Так, например, кривая усталости по Вёлеру серьезно превзошла нужные параметры. Незначительные дефекты геометрии устранили простой переделкой: компьютерная томография выявила небольшую трещину. Относительно малые поры внутри структуры были признаны допустимыми по результатам локального механического анализа. В целом, детали успешно прошли все динамические тесты компании Thales. «Результаты просто отличные, — поделилась впечатлениями Монтредон. — Вес бионической структуры, полученной методом аддитивного производства, на 22% меньше, чем у традиционной конструкции. Стоит также отметить сокращение затрат почти на 30% при существенно меньших сроках получения готовых изделий». Значительная экономия на себестоимости объясняется несколькими факторами. Во-первых, исчезли затраты на сборку. Благодаря бионической конструкции, инженеры получили одну деталь вместо прежде выпускавшихся девяти. Соответственно, производство идет в один этап, без сборки. Во-вторых, нет необходимости в литейной форме, ведь ранее одинаковые части изготавливали методом литья. В-третьих, это еще и временные рамки, которые весьма важны, когда нужно закончить в срок подобный проект. В промышленности мы говорим о времени вывода на рынок. Здесь же речь идет о времени до полета.

Оборудование и производство Concept Laser в масштабе XXL

На предприятии Poly-Shape установлено 28 машин для 3D печати металлами, отличающихся размерами рабочей зоны. Наибольшая рабочая зона для 3D печати алюминием — 630 x 400 x 500 мм3 — сейчас у модели Concept Laser X line 1000R. Закрытая система отличается надежностью подачи и обработки порошка, полностью соответствуя директивам ATEX. Поворотный механизм X line 1000R позволяет задействовать два модуля печати попеременно — для непрерывного производства без простоев. Особая конструкция сделала работу с оборудованием не только эффективнее, но и проще, а загрузка и выгрузка материалов совершенно безопасны. У старшей модели линейки X line 2000R рабочая камера еще больше: 800 x 400 x 500 мм3. Для сегмента лазерного плавления порошковых металлов это уникальное оборудование. По сравнению с моделью X line 1000R полезный объем построения выше почти на 27%: 160 л вместо 126 л. Кроме того, машина укомплектована сразу двумя лазерами мощностью по 1000 Вт. Важнейшую роль в реализации проекта сыграла разработанная компанией Concept Laser технология LaserCUSING. Уникальность оборудования Concept Laser — в выборочной проверке сегментов среза (так называемых «островков») при последовательной обработке. Благодаря этой запатентованной методике зафиксировано существенное снижение внутренних напряжений при печати крупных деталей. При габаритах изделия 447 x 204,5 x 391 мм3 крайне важно сделать все для предотвращения деформации. Для более качественной печати «крупногабаритных» деталей в рабочей зоне модели X line 1000R предусмотрена сбалансированная регулировка температуры. Готовили проект долго, что неудивительно: большие размеры, бионический дизайн, сложная геометрия. Печать заняла всего несколько дней.

Проектирование под технологию

При переходе к аддитивному производству необходимо переосмыслить процесс проектирования. Точное — 1:1 — воспроизведение прежней геометрии изделия не позволит в полной мере раскрыть все преимущества лазерного плавления. Здесь уместны облегченные конструкции и бионика. Чтобы улучшить характеристики 3D деталей через геометрию, уменьшение веса и бионику, инженеры прибегают к возможностям CAE- и CAD-программ. В данном случае специалисты Thales Alenia Space в несколько этапов доработали конструкцию (оптимизация под аддитивное производство), изменив в том числе узлы сборки и монтажа. Особое внимание уделили области контакта со спутниковой антенной, чтобы подогнать комплектующие друг к другу как можно точнее. Оптимизация топологии проходила 2–3 этапа, после чего данные CAD отредактировали и окончательно обработали перед выполнением механического анализа и моделирования. В конструкции также учли технологические особенности зоны печати, отрегулировав ориентацию модели и необходимые структуры поддержки. Кроме того, было решено частично задействовать технологию послойного производства LBM (Layer-Based Manufacturing). «Мы уже поняли, что аддитивное производство — перспективный вариант для наших будущих проектов. Со временем мы планируем добавлять на 3D изделия опции термального контроля и радиосвязи, а также внедрять такие функции непосредственно в структуру. Соответственно, следующей задачей становится функциональная интеграция. Более того, это полностью логичный шаг с учетом возможностей аддитивного производства», — резюмировала Флоренс Монтредон.

Выводы

Для целей проекта Koreasat-5A и 7 было признано целесообразным изготовить методом аддитивного производства очень крупные детали сложной геометрии. Одна заново сконструированная по бионическому принципу аддитивная деталь заменила сразу девять. Благодаря такому подходу производственный процесс занял всего один этап: больше не нужно было выполнять сборку. Кроме того, появилась возможность существенно облегчить конструкцию изделия. Масса аддитивной детали ниже на 22%, составляя всего 1,3 кг — серьезнейшее достижение, поскольку в этой отрасли счет идет в прямом смысле на граммы. В 3D-геометрии изделия учтены все требования к эксплуатации на орбите. Впечатляющие результаты проекта подтвердили потенциал аддитивного производства в космической сфере. Очевидно, что это далеко не последняя такая инициатива.

Интервью с представителями Thales Alenia Space и Poly-Shape по результатам проекта Koreasat-5A и Koreasat-7

Участники:

Флоренс Монтредон, руководитель направления аддитивного производства, Thales Alenia Space, Канны (Франция)

Стефан Абед, генеральный директор Poly-Shape SAS, Салон-де-Прованс (Франция)

Редакция: Какие производственные технологии и методики вы используете для выпуска продукции?

Флоренс Монтредон: Учитывая крайне малое количество отдельных деталей в спутниках (да и самих спутников), 3D печать оптимальна для таких проектов. Более крупные партии изделий целесообразнее изготавливать методом литья.

Редакция: Расскажите, пожалуйста, вкратце о проекте Koreasat-5A и 7.

Флоренс Монтредон: Подготовкой телекоммуникационных спутников Koreasat-5A и Koreasat-7 мы хотели продемонстрировать, что технологии лазерного плавления открывают широчайшие возможности для нашего направления. Важнейшими преимуществами здесь выступают небольшие сроки — от проектирования и разработки до получения готового изделия. Следует упомянуть и высокую эффективность. Еще до нашего проекта была изготовлена первая аддитивная деталь из алюминия. После успешного прохождения испытаний в 2014 г. ее установили на туркменский спутник TurkmenAlem Monacosat в апреле 2015 г. Две новые детали станут базовыми опорами для спутниковых антенн, поддерживающих связь с наземной станцией. Изготовлены они также из алюминия французской компанией Poly-Shape. Первая сложность проекта заключалась  в том, что нужны были две идентичные детали: одна для Koreasat-5A и вторая для Koreasat-7. Но самым проблематичным моментом был их размер. По сравнению с тем, что мы видели и делали ранее, габариты изделий были просто огромными.

Редакция: Можно поподробнее о деталях?

Флоренс Монтредон: В спутниках часто используют алюминий (Al), легкий металл с отличной теплопроводностью. Для этих аддитивных деталей мы выбрали сплав AISi7Mg. Этот типовой материал уже прошел испытания в авиакосмической отрасли, но для технологии литья. Одна заново сконструированная по бионическому принципу аддитивная деталь заменила сразу девять. Производственный этап тоже был единственным: больше не нужно было выполнять сборку. Кроме того, появилась возможность существенно облегчить конструкцию изделия. Мы сократили массу c 22 до 1,13 кг. Это серьезнейшее достижение, поскольку в нашей отрасли счет идет в прямом смысле на граммы.

Стефан Абед: Точные габариты — 447 x 204,5 x 391 мм3. Это очень много. Печать двух деталей заняла около шести дней. На данный момент это самое крупное аддитивное изделие, изготовленное в Европе для использования в космосе.

Редакция: Что было особенно сложным при 3D печати столь крупного изделия из металла?

Стефан Абед: Нам нужно было проанализировать техническую применимость, склонность к деформации, геометрию и массу. С помощью инструментов CAE/CAD специалисты Thales Alenia Space внесли конструкционные доработки, в том числе в геометрию изделия. Перед ними стояла задача учесть особенности техпроцесса, снизить вес и при этом соблюсти все требования к нагрузкам, и работа была поделана на отлично. Перед запуском в производство готовый макет прошел еще несколько этапов доработки при тесном сотрудничестве Thales Alenia Space и Poly-Shape. В итоге мы получили оптимальную с точки зрения бионики конструкцию.

Флоренс Монтредон: Готовые опоры для антенн прошли базовые испытания на земле. Теперь им предстоят стандартные для спутников проверки: тест на вибрацию и высокие температуры в вакууме должен подтвердить необходимый срок орбитальной службы в 15 лет.

Редакция: Как вы пришли к технологии лазерного плавления?

Флоренс Монтредон: Лазерное плавление весьма перспективно в производстве спутников. Оно прекрасно подходит для малых партий изделий, открывает широкие возможности в сфере облегченных конструкций и оптимально при крайне сложной геометрии изделий.

Редакция: Что нового дала технология лазерного плавления металлов по сравнению с производственными методиками, применявшимися ранее?

Флоренс Монтредон: Лазерное плавление порошковых материалов оптимально при конструкционных доработках, позволяющих существенно сокращать массу изделий. А для нас снижение массы — одна из важнейших задач. В среднем, вывод на орбиту 1 кг массы обходится в 20 000 евро. Кроме того, в космических объектах должно быть как можно меньше металлов, поскольку при повторном попадании спутника в атмосферу они выделяют вредные испарения. Таким образом, у нас в активе облегченная конструкция, экологичность и меньшее воздействие на окружающую среду. Само собой, мы также рассчитываем с помощью этой технологии сокращать затраты и упрощать работу по жестким графикам, характерным для космических проектов. В данном случае, по нашим оценкам, экономия составляет порядка 30% по сравнению с традиционной сборной конструкцией.

Редакция: Как возник вариант сотрудничества Thales Alenia Space и Poly-Shape?

Флоренс Монтредон: Со специалистами Poly-Shape SAS мы познакомились в 2010 г. на совместном французском научно-исследовательском проекте. Быстро стало очевидным, что именно они будут выбраны в качестве стратегического партнера по освоению аддитивного производства. Мы весьма успешно сотрудничали, а главное, очень быстро подготовили первые детали из алюминия. Поэтому мы точно знали, что над этой новой задачей будем работать именно с ними.

Редакция: Почему было выбрано оборудование Concept Laser?

Стефан Абед: Этот вариант был самым актуальным, поскольку только эти машины оснащены камерами для 3D печати металлами. Альтернатив сейчас просто нет, разве что печатать детали меньшего размера и потом комбинировать. Но такой подход чреват слабыми местами в структуре изделия. Теоретически, можно было отпечатать деталь из двух половинок и соединить их, но мы бы вновь вернулись к сборке, утратив одно из преимуществ. Кроме того, при сборке не исключены скрытые дефекты, которых просто нет в одноэтапном производстве методом лазерного плавления. Не будем также забывать, что одна деталь — это еще и экономия времени.

Редакция: Какие машины используют в Poly-Shape для 3D печати металлами?

Стефан Абед: Для печати металлами в компании установлено 28 машин, отличающихся размерами рабочей зоны, поэтому мы можем предложить практически любые интересные заказчику габариты. В основном занимаемся быстрым прототипированием и малыми партиями. Наибольшая рабочая зона для 3D печати алюминием — 630 x 400 x 500 мм3 — сейчас у модели X line 1000R производства Concept Laser. В этих машинах используется технология LaserCUSING, сыгравшая важнейшую роль в реализации проекта. Уникальность оборудования Concept Laser — в выборочной проверке сегментов среза (так называемых «островков») при последовательной обработке. Благодаря этой запатентованной методике существенное снижается внутреннее напряжение при печати крупных деталей. А сбалансированная регулировка температуры, предусмотренная в рабочей зоне модели X line 1000R, исключает деформацию «крупногабаритных» изделий. Данная машина подходит не только для получения алюминиевых деталей спутников, но и для работы с химически активными материалами, включая титан, сплавы титана и сплавы на основе никеля, а эти материалы активно применяются в авиастроении. Сейчас Concept Laser выпустила мультилазерную модель Xline2000r. Нас она заинтересовала повышенной скоростью печати, а также еще более крупной рабочей зоной — 800 x 400 x 500 мм3. Мы активно отслеживаем передовые разработки: только за 2015 г. было инвестировано порядка 2,5 млн. евро в оснащение предприятий и еще 1 млн. евро в исследования и разработки.

Редакция: Что нового дал компании этот проект?

Стефан Абед: При 3D печати металлами изделие обязательно проектируют с учетом особенностей процесса, чтобы полностью раскрыть потенциал цифрового оборудования. В части экспериментов с геометрией ей нет равных: традиционные технологии не в состоянии предложить ничего подобного. Изготовленные цифровым способом изделия выглядят иначе и, как правило, легче при улучшенных характеристиках. Для малых и средних партий это зачастую самый экономически оптимальный вариант. При этом ограничений с каждым годом все меньше, что открывает перед аддитивным производством новые горизонты. Безусловно, задачи, которые ставятся перед Thales Alenia Space, нельзя назвать простыми. Но есть и плюсы: мы накапливаем уникальный опыт в конструкторских разработках, проектировании и конфигурировании технологических процессов. И это, само собой, на пользу нашим заказчикам из авиакосмической отрасли. Я всегда повторяю, что авиакосмос — это хорошая тренировка, позволяющая оставаться в лидерах аддитивного производства.

Флоренс Монтредон: Обеспечивать качество, соответствующее жестким требованиям космических полетов, невозможно без надежных партнерских отношений между конечным заказчиком и поставщиком. Здесь необходима уверенность в партнере. Тесные рабочие отношения и эффективное сотрудничество компаний Thales Alenia Space и Poly-Shape сыграли важную роль в этом проекте, в том числе и в отношении жестких сроков. Нельзя недооценивать важность командной работы.

Редакция: Насколько актуальной для проекта была функциональная интеграция? Как вы оцениваете ее перспективы?

Стефан Абед: Единственная 3D-деталь из алюминия заменила старую конструкцию из девяти деталей. Предыдущий вариант представлял собой «сендвич» из двух ячеистых панелей с металлическими вставками и обработанной на фрезерном станке сеткой. Панели прочно соединялись между собой винтами. Теперь эту же деталь выпускают за один этап в виде не требующего сборки цельного изделия.

Флоренс Монтредон: Мы уже поняли, что аддитивное производство — перспективный вариант для наших будущих проектов. В пользу этой технологии говорят облегченные конструкции, неограниченная свобода геометрии, функциональная интеграция плюс выигрыш во времени и себестоимости. В ноябре 2015 г. с космодрома на территории Французской Гвианы был запущен спутник Arabsat 6B, в конструкцию которого входили отпечатанные 3D-способом детали. Но нам удалось пойти еще дальше. Со временем мы планируем добавлять к 3D изделиям опции термального контроля и радиосвязи, а также внедрять такие функции непосредственно в структуру. Соответственно, следующей задачей становится функциональная интеграция. И это полностью логичный шаг с учетом возможностей аддитивного производства.

Редакция: А что вы можете сказать о материалах?

Флоренс Монтредон: Разработка новых материалов для аддитивного производства, безусловно, представляет большой интерес. Думаю, уже скоро будут созданы и протестированы узкоспециализированные порошковые сплавы — еще более перспективных с точки зрения облегченных конструкций, функциональной интеграции и устойчивости к нагрузкам. Стандартные требования к материалам для космоса — высокая прочность, жесткость и устойчивость к коррозии. Для научных и наблюдательных спутников весьма важна стабильность конструкции: необходимы материалы с малыми коэффициентами теплового расширения.

Редакция: Давайте поговорим о перспективах лазерного плавления порошковых металлов. Какие связанные с аддитивным производством тенденции, по вашему мнению, повлияют на авиакосмическую отрасль в средне- и долгосрочной перспективе?

Флоренс Монтредон: Уверена, что 3D печать металлами позволит выпускать новую продукцию — на основе интеграции и функционального подхода. По всей видимости, станут больше размеры рабочих камер и скорость печати, хотя для производителей машин и оборудования это непростая задача. Я также считаю, что в будущем технологии необходимо будет активнее комбинировать — конечный продукт от этого только выиграет. Речь идет о гибридных изделиях и гибридном производстве: аддитивное производство и фрезерование, аддитивное производство и сборка, комбинирование аддитивных деталей с лазерной обработкой профиля. В каждом из этих сценариев важную роль играют лазерные технологии. Облик производства будущего определяют именно такие новые возможности. Традиционные технологии будут дополнены инновациями. Им предстоит развиваться вместе, частично подменяя друг друга, как в нашем случае. Будущее ярко и многогранно. Цифровые процессы 3D печати начинают задавать новые стандарты: на новую продукцию, по характеристикам превосходящую решения сегодняшнего дня, на новые производственные концепции, экономящие материалы, время и средства.

Редакция: Чего вы ждете от поставщиков машин и производственного оборудования?

Стефан Абед: Молодые технологии, к которым относится и лазерное плавление, — это прекрасные возможности, но вместе с тем и риски. Это в одинаковой степени верно и для изготовителей оборудования, и для нас пользователей. Стремительная поступь технического прогресса требует постоянных инвестиций в новейшие разработки, ведь только так можно повышать уровень своих услуг. Если говорить о 3D печати, то стимулы для инноваций здесь практически те же, что в компьютерной отрасли. Ежедневно (а теперь уже и длительное время) работая с этой технологией, компания Poly-Shape планирует уделять особое внимание контролю качества и повышению производительности. Выпускаемые нами изделия предназначены для сложнейших задач, подвержены большим нагрузкам  и подчас характеризуются высокой прецизионностью. Чтобы соответствовать таким требованиям, необходим чрезвычайно высокий уровень качества. С новым поколением машин контроль качества можно реализовать прямо на производстве.  Так, например, компания Concept Laser предлагает для этой цели инструмент QM Meltpool 3D. Отпадает необходимость в деструктивных дорогостоящих тестах, которые когда-то были нормой. Второй момент относится к скорости печати как фактору себестоимости. Один из ответов здесь — мультилазерная технология: ждем дальнейшей работы в этом направлении со стороны поставщиков оборудования и производственных решений.

Редакция: Благодарим за интервью.

О компании Thales Alenia Space

Совместное предприятие компаний Thales (67%) и Finmeccanica (33%), ведущий европейский производитель решений в сфере телекоммуникаций, навигации, наблюдений за земной поверхностью, орбитальных систем и систем слежения. Thales Alenia Space и Telespazio основали компанию «Space Alliance», специализирующуюся на комплексных решениях и услугах. Благодаря уникальному опыту в реализации комбинированных военно-гражданских проектов, а также в сферах астрономии, гибких нагрузок, альтиметрии, метеорологии, оптики и радаров высокого разрешения, Thales Alenia Space — надежный партнер стран, развивающих свои космические программы. Совокупные прибыли компании за 2015 г. составили 2,1 млрд. евро при штате в 7500 сотрудников в восьми странах. 

О компании Poly-Shape

Компания Poly-Shape SAS занимается производством и оказанием конструкторских услуг в сфере аддитивного и малосерийного производства. При разработке новых решений для заказчиков активно используются аддитивные технологии производства из пластиков и металлов. Компания оказывает полный спектр услуг, от начального проектирования до выпуска готовых изделий с последующей обработкой и сборкой.

Основным направлением деятельности является авиакосмическая промышленность, на которую приходится почти 40% заказов. Среди ключевых заказчиков: Airbus Helicopters, Safran, Dassault и Thales Alenia Space. У компании три производства во Франции, одно в Италии и одно в Испании — в непосредственной близости от предприятий авиакосмической отрасли. С 2016 г. компания участвует в выполнении серийных заказов для авиации. С этой целью в сотрудничестве с компанией Lisi Aerospace было основано совместное предприятие Lisi Aerospace Additive Manufacturing (LAAM). Сейчас это ведущая европейская компания, специализирующаяся на аддитивном производстве для авиакосмонавтики.

В 2014 г. штат компании Poly-Shape составлял 48 сотрудников при объеме продаж в 3,8 млн. евро, в 2015 г. — 64 человека при продажах в 5,7 млн. евро.

Перевод Олеси Зайцевой