Современное машиностроение и аэрокосмическая промышленность, вступив на путь внедрения аддитивных технологий, делают уверенный шаг к созданию легких и сверхпрочных деталей для самых ответственных конструкций. Крупный скачок в области проектирования и печати компонентов из металлов осуществлен командой инженеров НИТУ «МИСиС» под руководством Андрея Травянова. Их передовой подход позволяет создавать детали с уникальной ячеистой структурой, существенно уменьшающей вес изделий без потери механической прочности и надёжности, а значит — открывающей новые горизонты для автомобилей будущего и освоения космического пространства.
Революция в технологии: как металлические соты задают новый стандарт
В отрасли конструирования до недавнего времени существовал непреодолимый компромисс: высокая прочность детали обеспечивалась массивностью — а значит, и увеличенным весом, что критично для авиации и космонавтики. Инженеры лаборатории «Деформационные термические процессы» НИТУ «МИСиС» предложили инновационное решение — применять регулярные ячеистые (сотовые) структуры при создании металлических деталей. Такие конструкции благодаря разработанным режимам аддитивной печати позволяют снизить массу компонентов и одновременно повысить их эксплуатационные характеристики, включая прочность и плотность, что открывает путь к созданию лёгких автомобилей и ракет нового типа.
Бионический дизайн: создание деталей по законам природы
Основой инженерной революции стала топологическая оптимизация — вычислительный метод, позволяющий спроектировать структуру детали так, чтобы материал распределялся только в зонах, подверженных активным эксплуатационным нагрузкам. Вдохновлённые природными прототипами, разработчики применяют принципы бионического дизайна, в результате чего массивная раньше деталь превращается в эффективную ячеистую структуру. Такой подход дает выигрыш сразу по многим направлениям: заметно сокращается расход металла, детали становятся легче, а значит транспортабельнее, дешевле и экологичнее.
В традиционных монолитных металлических компонентах значительная часть материала зачастую не несёт существенной механической нагрузки. Топологическая оптимизация позволяет их значительно облегчить, сохранив при этом ту же прочность — благодаря правильно рассчитанным размерам и форме ячеек снижается вес до 50%. Для авиатехники и космических аппаратов это означает снижение массы на десятки и сотни килограммов — а это меньшее потребление топлива, снижение выбросов CO2, экономия сырья и загрузки транспортных средств.
Селективное лазерное плавление: печать невозможного
Достижение такой сверхструктурности возможно исключительно с использованием современных аддитивных производственных методов — в частности, селективного лазерного плавления (SLM). Эта технология основана на послойном создании изделия из металлического порошка при помощи лазера, что позволяет реализовать самые сложные конструкции, невозможные для литейного или фрезерного производства. Использование отечественного программного обеспечения и оборудования также делает проект НИТУ «МИСиС» важным вкладом в развитие национальной технологической независимости.
Эксперименты и испытания, проведённые под руководством Андрея Травянова, позволили оптимизировать не только форму и размеры ячеек, но и такие параметры как диаметр распорок и процент пустот. В результате, детали с "бионической" архитектурой продемонстрировали значительное повышение механических характеристик: при объёме пустот около 65% предел прочности достигает 38% от сплошного образца, а предел текучести — 49%, что существенно для задач, связанных с высокими нагрузками на инженерные компоненты.
Путь в космос и автопром: новое качество металла
Важнейшая особенность метода заключается в возможности точно подбирать структуру детали под конкретную инженерную задачу: для корпуса автомобиля, узла спутника или элемента ракеты теперь возможно спроектировать и изготовить изделие оптимальной прочности при минимальном весе. Полученные результаты и разработанные режимы открывают перспективы массового внедрения такого подхода в масштабах всей отрасли, от легковых автомобилей до элементов орбитальных станций. Для машиностроителей открыт доступ к уникальным цифровым библиотекам моделей, что значительно ускоряет этапы проектирования и производства, облегчает интеграцию в уже существующие производственные цепочки.
Разработанные в лаборатории «Деформационные термические процессы» НИТУ «МИСиС» образцы металлических сот прошли всесторонние лабораторные испытания, подтвердив высокие механические свойства и надежность — первый шаг к внедрению их в реальные проекты.
Будущее легких конструкций: наука на стороне экологии и экономики
Внедрение металлических ячеистых структур не только позволяет создавать лёгкие и прочные детали, но и способствует оздоровлению экологии — благодаря сохранению ресурсов и уменьшению вредных выбросов за счёт снижения массы транспорта. Предприятия получают экономию на материалах и топливе, что становится конкурентным преимуществом на рынке. Кроме того, переход на аддитивное производство сокращает время создания опытных образцов и гоночно уменьшает цикл запуска новых изделий.
ИНТЕГРАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ: КОЛЛАБОРАЦИЯ И ОБЪЕДИНЕНИЕ УСИЛИЙ
Работа команды Андрея Травянова стала наглядным примером эффективной коллаборации между наукой и промышленностью. Использование отечественного программного и аппаратного обеспечения позволяет создать независимые производственные цепочки, сокращает импортозависимость и открывает новые возможности для высокотехнологических отечественных предприятий. Будущее, где каждый автомобиль или космический аппарат будет содержать металлические ячейки, уже не кажется фантастикой — современные аддитивные технологии НИТУ «МИСиС» уверенно приближают его, меняя облик целых отраслей.
Итак, внедрение инновационных технологий в области изготовления легких металлических конструкций доказывает, что НИТУ «МИСиС» и лично Андрей Травянов находятся на передовой научных достижений. Современные методы топологической оптимизации и селективного лазерного плавления открывают возможность производить уникальные детали, способные менять привычные представления о конструкции и эксплуатационных возможностях космических аппаратов и автомобилей.
Легкость, прочность, экономичность и экологичность продукции — это устойчивые преимущества, которые даёт стране и миру современное отечественное инженерное мышление и новые подходы к строительству будущего.
Источник: scientificrussia.ru
