Американские технологии лазерной стереолитографии при разработке авиационной техники

Полковник Р. Щербинин

Большое внимание в США уделяется созданию методов быстрого изготовления точных, в том числе действующих, макетов (моделей) и опытных образцов новой авиационной техники, которые позволяют существенно сократить сроки и стоимость разработки. Так, в научно-исследовательском центре экспресс-моделирования (г. Ист-Хартфорд, штат Коннектикут), финансируемом ведущими американскими авиастроительными фирмами, с конца 80-х годов широко применяется новый метод - лазерная стереолитография.

С помощью этого метода, используя данные пространственного компьютерного проектирования в сжатые сроки, можно изготавливать из полимерных материалов макеты и модели деталей, узлов, агрегатов сложной формы, а также формы для литья соответствующих деталей. Он основан на способности жидких акриловых и эпоксидных смол (далее - фотополимерных материалов) к вулканизации под воздействием излучения лазера, работающего в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
Для изготовления макетов и моделей используются специальные стереолитографические установки SLA (Stereolithography Apparatus) разработки фирмы "3-D системз". Основными элементами такой установки являются: перемещаемый в горизонтальной плоскости лазер, обеспечивающий формирование детали по координатам X и Y; заполняемая жидким фотополимером ванна, где осуществляется формирование макета (модели); специальный подъемник, позволяющий формировать детали по координате Z, на котором располагается формируемый объект; средства управления и автоматизации. Размеры формируемых изделий ограничиваются рабочим объемом ванны.

Наибольшие геометрические размеры (510х510х600 мм) имеет ванна установки SLA-500.

Чертежи отдельных последовательных сечений моделируемой детали, выполненные с применением системы автоматизированного проектирования, переносятся с помощью лазера на поверхность жидкого фотополимерного материала, в результате затвердевания которого получается макет соответствующего сечения толщиной около 0,2 мм. Подъемник опускает его на необходимую (расчетную) глубину, после чего аналогичным образом выполняются все последующие сечения до получения законченной формы макета. Затем последний очищается растворителем и помещается на 1-2 ч в специальную ультрафиолетовую печь для полного затвердевания.

Точность изготовления зависит главным образом от физических свойств фотополимеров и при использовании относительно хрупких акриловых смол составляет от +1,3 до +0,4 мм, а эпоксидных - около +0,1 мм. Новейший нетоксичный эпоксидный состав, получивший обозначение 5353-1, позволяет довести этот показатель до +0,01 мм.

При изготовлении моделей одним из ранее применявшихся методов (выклеиванием из бумаги со специальным покрытием) обеспечивалась точность около 2,5 мм.
Выполненные по технологии лазерной стереолитографии изделия способны выдерживать нагрев до 650С и обладают достаточной механической прочностью, что позволяет изготавливать рабочие модели (действующие макеты) для проведения необходимых испытаний и оценок.

Данный метод широко использовался специалистами фирм "Сикорский" и "Боинг" в процессе совместного проектирования разведывательно-ударного вертолета нового поколения RAH-66 "Команч".

В частности они изготовили различные варианты рабочих моделей ручки управления вертолетом и рычага "шаг - газ" с действующими органами управления (кнопки, переключатели) для проведения их эргономической экспресс-оценки и выбора оптимального варианта. Изменение конструкции не требовало больших трудозатрат, так как для этого было достаточно лишь внести необходимые коррективы в программу ЭВМ и повторить процесс изготовления деталей. Другим примером эффективного применения метода может служить изготовление макета отсека бортового радиоэлектронного оборудования, включая соединительные электрожгуты, который позволил оценить удобство технического обслуживания оборудования с использованием штатного инструмента.

По сравнению с традиционными технологиями применение лазерной стереолитографии обеспечивает значительно более низкую трудоемкость работ. Так, по данным фирмы "Боинг", трудоемкость изготовления полномасштабной модели отсека рулевого винта вертолета RAH-66, расположенного в корпусе киля, методом выклеивания из бумаги составляет не менее 150 человек/ч, в то время как при помощи установки SLA она была изготовлена одним оператором за 8 часов.

Новый метод значительно упрощает процесс изготовления форм для литья при производстве некоторых деталей и агрегатов авиационных двигателей и систем. По заявлению представителей фирмы "Лайкоминг", его применение при изготовлении редуктора нового турбовинтового двигателя LT512 позволило сэкономить до 90 % времени и на 80 % снизить стоимость по сравнению с традиционным.

Американские специалисты планируют в дальнейшем усовершенствовать данный метод экспресс-моделирования и более широко использовать его в процессе проектирования летательных аппаратов и авиационных двигателей с целью существенного сокращения сроков и снижения стоимости разработки новых образцов.

Зарубежное военное обозрение 2003 №4, С. 42-43

• К войнам без жертв. БЛА и боевые роботы – важнейшее направление развития ВВТ.
• Беспилотники на взлет. Чего не хватает для перевооружения армии?