Ткачество в формате 3D

В руках инженера полотно, сотканное из толстых синтетических ниток. Заготовка причудливой формы с одной стороны имеет утолщение в плетении, с другой, наоборот, ткань словно становится тоньше. На самом деле это своеобразная выкройка для будущей лопатки вентилятора двигателя.

Это так называемая преформа — тканая заготовка из углеродного волокна. Она изготовлена по технологии трёхмерного ткачества на специальном оборудовании, которое адаптировалось для этого технологического процесса. «До сих пор таких сложных тканых конструкций в России не изготавливалось, — говорит заместитель главного инженера опытного завода по полимерным композиционным материалам Виталий Крупенников. — Длительные разработки привели к получению образцов деталей-демонстраторов, которые подлежат как стендовым испытаниям, так и испытаниям в составе двигательной  установки».

Технология трёхмерного ткачества напоминает процесс изготовления искусственных цветов на уроках труда, когда лепестки из ткани пропитываются крахмальным раствором, проглаживаются и крепятся к проволочному стеблю. При изготовлении лопаток вместо атласной ленты — армированный материал, вместо крахмала — связующее вещество со сложным составом, гигантский промышленный пресс заменяет утюг.

Преформа поступает в «ОДК — Сатурн» в готовом виде: её изготавливают по специальному заказу на одном из российских предприятий. Трёхмерную ткань получают при помощи жаккардового ткачества. Процесс изготовления преформы разрабатывается в рамках проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Сама нить — высокопрочный материал с уникальными свойствами. Связующее  – специальная эпоксидная смола, разработанная во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов в строгом соответствии с техническими требованиями, предъявленными именно для этого изделия, обеспечивает ударостойкость композиционного материала.

«Получаемый композит обладает низкой плотностью, даже по сравнению с алюминием, но гораздо более высокой прочностью, а конструкторско-технологические изыскания позволяют добиваться характеристик, превышающих по отдельным показателям титановые сплавы», — объясняет Крупенников.

В отдельном помещении установлен огромный стол, где происходит раскройка армированного полотна — цифровой режущий плоттер. Оператор загружает в компьютер файл с программой, которая задаёт контуры для будущей лопатки двигателя, проверяет правильность размещения материала на поверхности. Остальную работу плоттер выполнит уже самостоятельно, подобрав оптимальный режущий инструмент.

При этом важно, чтобы при раскройке никакие посторонние материалы не попали на полотно — любая частица способна испортить заготовку. Поэтому плоттер установлен в так называемом «чистом» производственном помещении, где особым образом контролируют параметры рабочей среды: войти можно исключительно через специальный шлюз с пониженным давлением относительно чистых помещений и с повышенным - относительно общепроизводственных.

Подготовленная преформа выкладывается на специальную матрицу пресс-формы, точно повторяющую контуры будущей лопатки, и накрывается второй половинкой пресс-формы. Далее под  давлением происходит пропитка преформы связующим, материалы связываются в единое целое, конструкция приобретает необходимую прочность и фиксированную форму под воздействием температуры.

На выходе заготовка подлежит механической обработке. Завершающий этап — приклеивание защитной кромки — титановой пластины (внешне напоминающей персидскую саблю), которая защищает лопасть вентилятора от ударов при попадании посторонних объектов, придаёт ей дополнительную прочность.

«Внешне всё выглядит довольно просто, но в самом процессе масса нюансов, тонкостей, которые как раз и делают его сложным, наукоёмким, — поясняет Виталий Крупенников. — Каждый этап сопровождается контролем на предмет соблюдения геометрии формы и скрытых дефектов».

Чем легче, тем лучше

Технология изготовления лопаток из композиционных материалов позволяет снизить их массу, что, в свою очередь, заметно уменьшит массу самого двигателя. В «ОДК — Сатурн» эту технологию применяют в размерности двигателя ПД-14, то есть изготавливают лопатки длиной 750 миллиметров. Когда пройдут все необходимые испытания, планируется наладить серийное производство таких лопаток для нового двигателя повышенной тяги ПД-35. Его вентилятор в диаметре составляет 3,5 метра, соответственно, длина каждой лопатки — 1250 миллиметров. Масса при увеличении размера лопатки играет значительную роль. Специалисты считают, что, например, титановые лопатки подобного размера вряд ли смогут обеспечить заданные качественные характеристики.

Разработка рабочей лопатки вентилятора из полимерно-композиционного материала — относится к так называемым критическим технологиям и носит первый порядковый номер. Это связано с тем, что снижение массы лопатки вентилятора значительно влияет на массу всего двигателя. Кроме того, это роторная деталь, то есть снижение её массы уменьшает  нагрузку на подшипники, валы.

«Сама конструкция двигателя должна быть устойчива к пробитию лопаткой. Поэтому именно вес лопатки влияет на то, какое будет принято решение по выбору материала и конструкции корпуса вентилятора, и во многом - каким будет итоговый вес двигателя», — говорит Виталий Крупенников.

Снижение массы двигателя позволит повысить и его топливную эффективность. По утверждению специалистов, лопатка, изготовленная из  трёхмерно-армированного материала, обладает повышенной прочностью, будет устойчива к расслоению. Пока технология не отработана окончательно, лопатки, которые изготавливают на опытном производстве, не являются частями каких-либо узлов. Изделия подлежат тщательным исследованиям и испытаниям.

Одновременно с рыбинским «ОДК-Сатурн» разработку технологии для создания рабочей лопатки вентилятора из полимерных композитов ведёт «ОДК — Авиадвигатель». Специалисты пермского предприятия изучают возможности создания лопатки из полимерных композиционных материалов методом послойной выкладки с последующим термоформованием.

Первые опытные образцы по обеим технологиям изготовлены и в настоящее время проходят инженерные испытания, по итогам которых определят наиболее перспективную с точки зрения стоимости и стабильности технологию. По прогнозам специалистов, старт серийного производства может произойти в 2025-м году. Объёмы будут зависеть от реализации проектов новых двигателей ОДК,  а также от заинтересованности сторонних заказчиков.