Результаты 14.610.21.0013
Резюме проекта,
выполняемого в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы»
Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.610.21.0013
Тема: Разработка и создание линейки промышленного роботизированного оборудования на основе мультипучковой электронно-лучевой технологии для высокопроизводительного аддитивного производства крупноразмерных металлических и полиметаллических деталей, узлов и конструкций для ключевых отраслей РФ
Приоритетное направление: Транспортные и космические системы
Критическая технология: Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения
Период выполнения: 03 октября 2017 г. - 31 декабря 2019 г.
Плановое финансирование проекта: 380 млн руб.
Бюджетные средства: 250 млн руб.
Внебюджетные средства: 130 млн руб.
Получатель субсидии: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Индустриальный партнер: Закрытое акционерное общество «Чебоксарское предприятие «Сеспель» (ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель»)
Ключевые слова: электронно-лучевая аддитивная технология, цифровое производство, высокопроизводительное роботизированное оборудование аддитивного производства из металлической проволоки, контролируемая структура, металлические и полиметаллические аддитивные детали и изделия, тугоплавкие и жаропрочные сплавы
1 Цель проекта
1 Разработка мультипучковой электронно-лучевой технологии аддитивного производства и создание отечественного производства промышленного высокопроизводительного роботизированного оборудования для аддитивного производства крупноразмерных изделий из металлической проволоки/прутка.
2 Разработка технологии получения и создание производства отечественных расходных материалов (проволоки/прутков) для аддитивного электронно-лучевого производства сложнопрофильных изделий с контролируемым составом, с пространственно-переменными механическими и функциональными свойствами, в том числе из тугоплавких и жаропрочных сплавов нового поколения для работы в экстремальных условиях.
2 Основные результаты проекта
Этап 1 (03.10.2017 г. - 29.12.2017 г.)
По результатам исследований показано, что для обеспечения теплового баланса при электронно-лучевом аддитивном формировании изделий необходимо создать условия теплоотвода с подложки, на которой аддитивным методом формируется металлическое изделие, и регулировать тепловложение по мере формирования изделия путем изменения мощности электронного пучка. Теоретические расчеты показали, что глубина проникновения электронов в материал образца для сплавов на основе никеля и железа минимальна и максимальна для титана, что необходимо учитывать при подборе технологических режимов. Показано, что при использовании проволок диаметром 0,8-1,0 мм при ускоряющем напряжении электронной пушки 100-500 кэВ энергия электронного пучка будет рассеиваться в проволоке.
Предварительные экспериментальные исследования показали, что изготовленные в лабораторных условиях реализации процесса электронно-лучевой технологии аддитивного производства образцы из проволоки сплава 12Х18Н10Т имеют условный предел текучести в диапазоне от 250 до 317 МПа, что превышает значения, заданные в ТЗ, более чем на 30 %.
Разработанный макет мультипучкового электронно-лучевого блока обеспечивает возможность подачи в зону аддитивного формирования до 3 металлических филаментов.
Разработана оригинальная лабораторная методика получения тонких прутов из сплава ЖС6У путем переплавления крупных заготовок ЖС6У в литые стержни диаметром 3 мм с последующей деформацией в ручьях прокатного стана до минимального диаметра 0,75 мм. Полученные результаты являются новыми. Для стали 12Х18Н9Т и титанового сплава ВТ6 отработана лабораторная технологическая схема, включающая промежуточную разупрочняющую термическую обработку после деформации 68 и 60 % соответственно.
Полученные результаты выполнены на высоком научно-техническом уровне, соответствуют техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.
Этап 2 (01.01.2018 г. - 31.12.2018 г.)
Разработан и изготовлен экспериментальный образец промышленного роботизированного оборудования для высокопроизводительного мультипучкового электронно-лучевого аддитивного производства крупноразмерных металлических и полиметаллических изделий из проволоки/прутка. Установлены диапазоны тока пучка, обеспечивающие получение бездефектных изделий: 30-30 мА для сплава ВТ6, 38-50 мА для стали 12Х18Н9Т и 48-60 мА для сплава ЖС6У. Реализована одновременная подача двух проволок в одну ванну расплава и получены полиметаллические образцы 12Х18Н9Т + ВТ6, 12Х18Н9Т + ЖС6У.
Разработаны и протестированы программные модули программного обеспечения для прочностного анализа при проектировании изделий электронно-лучевого аддитивного производства.
Разработаны рекомендации по выбору технологических режимов для производства экспериментальных образцов филаментов из стали 12Х18Н9Т, сплавов ВТ6 и ЖС6У для электронно-лучевого аддитивного производства. Разработана лабораторная технологическая инструкция получения экспериментальных образцов металлической проволоки для электронно-лучевого аддитивного производства.
Полученные результаты выполнены на высоком научно-техническом уровне, соответствуют техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.
Этап 3 (01.01.2019 г. - 31.12.2019 г.)
Разработана технология высокопроизводительного мультипучкового электронно-лучевого аддитивного производства, металлических и полиметаллических изделий из проволоки/прутка. Для реализации технологии разработан и изготовлен экспериментальный образец промышленного роботизированного оборудования с объемом вакуумной камеры 8 куб.м.
Разработаны технология получения и методики квалификации (паспортизации) металлических филаментов для высокопроизводительного мультипучкового электронно-лучевого аддитивного производства. Изготовлены металлические филаменты в виде проволоки из стали 12ХН10Т, титанового сплава ВТ6, также изготовлены прутки и филаменты из порошковой проволоки из сплава ЖС6У.
Разработаны методики квалификации (паспортизации) материала и технология контроля свойств металлических и nолиметаллических изделий и сложнопрофильных деталей, полученных методом мулътипучкового электронно-лучевого аддитивного производства. Разработан и изготовлен модуль неразрушающего контроля деталей аддитивного производства.
Разработано программное обеспечение построения моделей крупноразмерных металлических и полиметаллических изделий и сложнопрофильных деталей, а также инженерное программное обеспечение для прочностного анализа при проектировании изделий электронно-лучевого аддитивного производства. Валидизация инженерного программного обеспечения выполне на их основе полученных экспериментальных данных.
Изготовлены и испытаны образцы-прототипы металлических и полиметаллических изделий, для оценки влияния условий выведения на орбиту и воздействия факторов космического пространства на характеристики изделий мультипучкового электронно-лучевого аддитивного производства, в том числе из тугоплавких и жаропрочных сплавов.
Выполненные работы и полученные результаты полностью соответствуют техническому заданию и плану-графику исполнения обязательств.
Исследования и разработки, выполненные в ходе реализации проекта, находятся на высоком научно-техническом уровне и соответствуют современным мировым достижениям в области аддитивных технологий.
3 Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки
В ходе выполнения работ получены охраноспособные РИД:
1. Изобретение, патент РФ на изобретение № 2700439 от 17.09.2019 г. «Способ аддитивного производства изделий из титановых сплавов с функционально-градиентной структурой», РФ.
2. Секрет производства (ноу-хау) «Способ управления электронным пучком при формировании полиметаллических материалов в ванне расплава при 3D-печати», приказ о введении режима коммерческой тайны № 207-од от 11.12.2018 г.
3. Секрет производства (ноу-хау) «Технологические приёмы аддитивного производства изделий из никелевого сплава с функционально-градиентной структурой», приказ о введении режима коммерческой тайны № 206-од от 10.12.2018 г.
4. Программа для ЭВМ «Управляющая программа мультипучковой установки «Луч», свидетельство о государственной регистрации № 2018660932 от 30.08.2018 г.
5. Секрет производства (ноу-хау) «Приемы и режимы получения изделий из алюминиевого сплава АМг5 (аналог 5356) методом электронно-лучевого проволочного аддитивного производства», приказ о введении режима коммерческой тайны № 72-од от 11.06.2019 г.
6. Секрет производства (ноу-хау) «Приемы и режимы изготовления полиметаллических изделий на основе Ti-Al сплава при помощи электронно-лучевой 3D-печати», приказ о введении режима коммерческой тайны № 73-од от 14.06.2019 г.
7. Секрет производства (ноу-хау) «Способ аддитивного производства изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов с функционально-градиентной структурой», приказ о введении режима коммерческой тайны № 96-од от 09.07.2019 г.
8. Секрет производства (ноу-хау) «Приемы и режимы получения полиметаллических материалов тройной системы «сталь-медь-титан» с использованием аддитивной электронно-лучевой проволочной технологии», приказ о введении режима коммерческой тайны № 71-од от 10.06.2019 г.
9. Программа для ЭВМ «Программа управления вакуумной системой для панели оператора Weintek», свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019618173 от 26.06.2019 г.
4 Назначение и область применения результатов проекта
Применение аддитивных технологий в производстве является одним из индикаторов инновационного развития и индустриального потенциала предприятий ключевых отраслей промышленности. Основными потенциальными потребителями разрабатываемой линейки промышленного роботизированного оборудования для высокопроизводительного аддитивного производства крупноразмерных металлических и полиметаллических деталей являются высокотехнологичные предприятия авиакосмической и транспортной отраслей, машиностроения.
5 Эффекты от внедрения результатов проекта
Реализация ПНИЭР позволит занять рыночные ниши на внутреннем и внешнем рынках оборудования и расходных материалов для высокопроизводительного аддитивного производства крупноразмерных металлических изделий и сложнопрофильных деталей и обеспечить технологическое лидерство России в области высокопроизводительных электронно-лучевых аддитивных технологий производства.
6 Формы и объемы коммерциализации результатов проекта
Коммерциализацию полученных результатов планируется начать не позднее 2020 года. Начиная с 2021 года прогнозируемый объем продаж продукции, полученной Индустриальным партнером ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель» с использованием разработанных технологии и оборудования мультипучкового электронно-лучевого аддитивного производства, составит более 1,1 млрд руб. в год.
7 Наличие соисполнителей
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ), этап 1, октябрь-декабрь 2017 г.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), этап 1, октябрь-декабрь 2017 г.