На предприятиях ОАК внедряются технологии индустрии 4.0. Это радикально меняет внутренние процессы и делает корпорацию более конкурентоспособной на глобальном рынке.
Предприятия «Объединенной авиастроительной корпорации» начали выпуск деталей с бионическим дизайном. Напечатанные на 3D-принтере, они выглядят непохожими на большинство элементов конструкций, спроектированных за последние десятилетия. Со временем, благодаря меньшей массе и удобству выпуска, им предстоит заметно потеснить детали, созданные по традиционным технологиям.
Компания «Сухой» разработала первую деталь на основе бионического дизайна – алюминиевый силовой кронштейн для нового истребителя. Пока в мировой авиации можно по пальцам пересчитать успешные примеры внедрения в авиационное производство созданных по новым технологиям и напечатанных на 3D-принтере деталей.
Кронштейн – полностью отечественная разработка. Деталь спроектировали на суперкомпьютере конструкторы компании «Сухой», а напечатали на 3D-принтере из отечественной металлопорошковой композиции алюминиевого сплава, которую создали во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ). Дизайн больше напоминает кость какого-нибудь доисторического животного, чем деталь истребителя пятого поколения.
Некоторые технологические особенности новой детали указывают на то, что разработке вряд ли придется долго пылиться где-нибудь на музейной полке. Новый кронштейн на четверть легче своих предшественников, которые летают на машинах сегодня и выполнены по традиционным технологиям. Весь процесс – от проектирования с нуля до адаптации технологии и запуска в производство – занял несколько месяцев.
И еще один немаловажный нюанс. Деталь почти полуметровой длины изготовлена методом лазерного спекания всего за одну ночь. Традиционная механическая обработка алюминиевой заготовки заняла бы не меньше недели. Благодаря применению 3D-печати удалось создать полости, к которым на обычном станке с программным управлением просто «не прогрызешься».
Генеративный дизайн – это способ проектирования объектов, при котором для снижения веса и увеличения прочности применяются отличные от традиционных решения. Внешне объекты, произведенные подобным образом, отличаются от обычных техногенных изделий. Они имеют выраженные черты, присущие, например, растениям, имитируют строение конечностей или костей. Именно поэтому такой способ проектирования часто называют бионическим дизайном.
Термин же «генеративный дизайн» используется в связи с тем, что геометрия подобных конструкций автоматически рассчитывается, как бы генерируется специальным программным обеспечением. Это можно представить в виде человека, который делегирует часть своих дел компьютерным технологиям. Главная задача бионического дизайна вполне логична – снижение веса объекта при сохранении или даже увеличении его исходной прочности.
Именно поэтому такие решения чаще используют в сферах, где важно сэкономить каждый грамм, в том числе и в авиастроении. Другая смежная задача в генеративном дизайне – экономия дорогих материалов, таких как сложные сплавы или редкие металлы. Бионический подход в проектировании позволяет при некоторых технологических процессах тратить на 30 или даже 50% меньше материала. Естественно, это положительно влияет на цену таких изделий.
Создание конструкций на основе генеративного проектирования в большинстве случаев возможно только с помощью аддитивных технологий (то есть 3D-принтера), которые используют метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Дело в том, что традиционные методы производства не в состоянии реализовать проекты со сложной структурой нестандартных элементов, которую предлагает бионический дизайн. С помощью же 3D-печати можно изготовить элементы с любыми толщинами, искривлениями, полостями, сетчатой и ячеистой структурами. К тому же послойное построение придает бионическим объектам еще большую прочность и устойчивость к нагрузкам.
Первую пробную 3D-печать удалось осуществить на специальном принтере здесь же в Москве на оборудовании ВИАМ из специального отечественного алюминиевого порошка для печати. Между тем в ОКБ Сухого существует собственная 3D-лаборатория, где с помощью стереолитографии изготавливаются десятки различных деталей для самолетов.
Произведенные таким методом детали хорошо знакомы летчикам истребителей. Например, в ОКБ Сухого очень быстро смогли подобрать оптимальный дизайн ручки управления самолетом. После замечаний, сделанных пилотами об удобстве расположения кнопок управления, удалось достаточно быстро доработать первоначальный проект (там пальцы летчика не всегда дотягивались до кнопок) и предложить более удобный вариант.
Послойным синтезом напечатана, а затем отлита в металле, например, педаль управления самолетом. Использование методов гибридного проектирования позволяет быстро доработать конструкцию какого-либо отдельного агрегата, например, кронштейна, и запустить его в производство. Множество деталей делается для продувочных моделей новой авиационной техники.
Использование цифровых технологий на всех этапах проектирования позволяет сегодня в авиации делать то, что еще вчера казалось невозможным: создать за рабочий день прочную, изящную деталь с минимальной массой, применяя самые продвинутые методы расчета и оптимизации, а завтра напечатать ее в соседней комнате, послезавтра – испытать, спустя неделю – установить на самолет. За реализацию этой фантастической идеи всерьез взялись инженеры корпорации «Иркут». Здесь чуть больше года назад начали внедрять в проектирование процедуры топологической оптимизации.
К выбору опытного образца для исследований в корпорации «Иркут» отнеслись серьезно – с привлечением директора конструкторского бюро, главного технолога и заместителя главного конструктора по прочности. Остановились на сборочной единице сложной конфигурации из более чем 28 деталей, не относящейся к основным силовым элементам.
Деталь не работает в полете, ее эксплуатация не связана с восприятием внешних полетных нагрузок и нагрузок от избыточного давления. Проектирование и изготовление первого образца заняли около двух недель, что по меркам «аддитивной философии» долго. Стремились сделать не быстро, но качественно. Показали результаты топологической оптимизации конструкторам, проработали силовые потоки в конструкции и только после этого выработали компромиссный дизайн, объединяющий традиционные конструктивные решения с элементами бионического дизайна. 28 деталей заменили одной.
Когда 3D-модель готова, ее следует адаптировать к печати. И тут без специальных знаний «аддитивки» не обойтись. Конструкторов «Иркута» выручило давнее сотрудничество с Московским государственным технологическим университетом «СТАНКИН». Получился эффективный научно-промышленный союз разработчика реальной конструкции и образовательного учреждения с исследовательской лабораторией. Работа вызвала интерес среди производителей оборудования. Подключились компании SLM Solution (Rusky Group) и Concept Laser. В результате изготовили несколько прототипов в масштабе 40% от реального размера в различных конфигурациях из сплавов алюминия, титана и из стали. Работой заинтересовались в центре авиационной науки – Центральном аэрогидродинамическом институте им. профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), где были проведены натурные прочностные испытания. Их результаты позволили смело говорить о перспективах разработок этого инновационного направления.
На сегодняшний день в «Иркуте» сформирована рабочая группа по внедрению аддитивных технологий из прочнистов, конструкторов и технологов и налажены устойчивые связи с партнерскими организациями.
Президент ОАК Юрий Слюсарь – о том, за счет чего корпорации удается экономить время и деньги.
В авиастроении уже сегодня широко применяются цифровые технологии. Обозначенные президентом приоритеты трансформации экономики с применением технологий индустрии 4.0, диверсификации и развития экспортного потенциала распределяются во вполне конкретные задачи. Решать их необходимо с широким внедрением цифровых технологий, трансформирующих весь индустриальный ландшафт. Для нас это означает конкретную бизнес-задачу – быстрее проектировать, строить, выводить на рынок новые продукты, качественно и быстро сопровождать их жизненный цикл.
Например, цифровое проектирование позволило существенно изменить и процесс производства. На основе цифровой модели изделия появилась возможность осуществлять бесстапельную сборку агрегатов планера и их автоматическую стыковку. Если в «доцифровую» эру процессы сборки фюзеляжа занимали многие месяцы, то теперь на это тратятся считаные дни. Применение отечественных суперкомпьютерных технологий для математического моделирования пушечной установки Су-57 позволило снизить срок работы над конструкцией на многие месяцы, сэкономить десятки миллионов рублей. По ряду компонентов Су-57 применение средств топологической оптимизации позволило снизить вес сложных деталей изделия на 15–20%.
Предстоящее внедрение в практику цифровых технологий дополненной реальности на гражданских программах, как показывает опыт, снижает время на сборку сложной кабельной системы на 25%, при этом количество ошибок снижается в два раза.
Ключевое направление нашей работы – сокращение натурных испытаний аэродинамических характеристик, прочностных характеристик, бортового оборудования, систем управления, режимов боевого применения на 35% за счет применения математического моделирования, переноса цифровых испытаний на ранние стадии жизненного цикла изделия.
Этот опыт, наряду с передовыми практиками других высокотехнологичных отраслей, может быть распространен на всю российскую индустрию для создания конкурентоспособных продуктов с высоким экспортным потенциалом.
Организация цифровой трансформации индустрии предполагает внедрение модели «открытых инноваций». Мы в ОАК активно двигаемся по пути реализации этой модели. Работаем с МФТИ и СПбПУ, МАИ, вовлекаем молодых инженеров в рамках программы «Авиация будущего». Совместно с РВК и Сколково участвуем в индустриальном венчурном фонде, призванном способствовать «втягиванию» перспективных проектов в контур работы корпорации. В этой же логике совместно с несколькими регионами обкатываем формат вовлечения малого и среднего промышленного бизнеса в решение стратегических задач корпорации.
