Бионический дизайн — технология, которая может заменить традиционную отливку деталей для авиатранспорта.
Объединённая авиастроительная корпорация (ОАК) занялась трёхмерной печатью, взяв за основу подход, который используют птицы, когда строят гнёзда. Первым разработчиком комплектующих с бионическим дизайном стало КБ «Сухой». В мире пока очень мало компаний, которые не просто печатают детали на 3D-принтерах, но и успешно внедряют их в производство.
Инженеры «Сухого» разработали кронштейн для истребителя на сверхмощном компьютере и буквально напечатали его на трёхмерном принтере. Внешне деталь скорее напоминает кость древнего животного, чем элемент новейшего самолёта. Но она уже доказала своё превосходство над «традиционными» аналогами. Получившийся кронштейн легче на 25%. И хотя на разработку ушел год с лишним, изготовить одну такую деталь длиной полметра можно буквально за ночь.
Трехмерный принтер обеспечил инженерам доступ к «труднодоступным» полостям, к которым едва ли можно было подобраться с помощью станка.
Как инженеры «Сухого» искали идеальную форму
Основатели нового подхода к проектированию, А. Рожкин и В. Мартынов закончили обучение в МАИ в 2008 году. Тогда же они создали новым синтетическим методом первую деталь для пассажирского самолёта КБ «Сухой». Кронштейн тогда получился в пять раз прочнее аналогов, разработанных традиционным методом, так что инновацию распространили и на другие элементы.
Отличительная особенность нового метода в том, что проводить расчёты стало намного проще.
Вместо объёма, сопоставимого с научной работой, для каждой детали хватало небольшого списка аналитических расчетов. Проводить расчеты можно было на обычном калькуляторе.
Так инженеры пришли к генеративному методу, который позволил создавать формы, близкие к идеальным, с повышенной прочностью и уменьшенным весом. Другое название — бионический — метод получил потому, что результаты расчётов часто вызывают ассоциации с природными формами, например элементами скелетов животных или стволов растений.
Гибридным или генеративным метод называют потому, что дизайн генерируется с помощью программных расчетов — человек лишь координирует этот процесс. Вполне логично, что его в первую очередь стали использовать в авиаконструкторском деле: там идеальная форма, то есть максимальная прочность и минимальный вес, важнее всего.
Это не единственное преимущество, которого достигают инженеры: также они экономят дорогие материалы, снижая затраты на 30–50%. Реализовать подобный подход на практике можно только с помощью трехмерного принтера, поскольку он воплощает разработанную модель послойно. Это позволяет, как и живые существа в природе, создать объект любой формы и любой структуры.
Истоки и перспективы бионического дизайна
Первые шаги по применению нового метода сделали в Москве, используя трехмерные принтеры ВИАМ. Ну а пилоты истребителей нового поколения «Су-57» уже неоднократно видели созданные в компании «Сухой» детали уже на практике. От пилотов получают отзывы и критику, дорабатывают детали, делают их более удобными и практичными.
Новые детали создают опытным методом, разрабатывают пробные партии и затем внедряют в массовое производство. Используются они и в пробных моделях российских самолётах, например в прототипе с широким фюзеляжем, который разработали совместно с китайскими коллегами.
Цифровые технологии ускорили разработку деталей до невиданных прежде темпов. Теперь за один день моделируют новую деталь с оптимальными показателями, на следующий день ее печатают на трехмерном принтере, затем испытывают и уже через неделю используют на рабочем прототипе самолета.
Многие изобретения компаний «Сухой» и «Иркут», созданные аддитивным методом, носят характер конструкторских разработок — но не потому, конечно, что их разработка стопорится, а потому, что требуется оптимизировать форму под максимальные нагрузки и добиться таким образом максимальной надежности, особенно для гражданских самолётов.
Перспективы бионического дизайна налицо: совсем недавно конструкторам удалось за две недели — довольно долго в рамках такого подхода — разработать новую деталь для одного из самолетов компании «Иркут». И хотя деталь не относится к главным силовым элементам, она заменила собой 28 отдельных элементов.
Инновации на службе российского авиастроительства
Конструкторы и инженеры объединяют усилия, чтобы адаптировать для трехмерной печати разработанные модели. Благодаря этому компания «Иркут» наладила сотрудничество с МГТУ «Станкин» и привлекла внимание экспертов во многих связанных областях, в том числе в ЦАГИ, который официально считается центром научной работы в авиастроении по России. Сейчас в компании «Иркут» сформирована группа, которая внедряет технологии трехмерной печати и налаживает связи с партнёрами.
Пример успешного применения инноваций продемонстрировала компания «Ильюшин». Новые технологии позволили сделать конструкцию воздушного тормоза на 10% легче и на 20% проще в производстве. Рабочие образцы планируется внедрить в производстве самолётов «Ил» уже до конца 2018 года.
На 101-й кафедре МАИ сейчас разработан и исполняется проект «Будущее авиации». Школьники и студенты разработали с нуля беспилотный летательный аппарат, конструкцию которого удалось оптимизировать за счет новейших технологий.
Юные создатели дрона использовали трехмерный принтер, чтобы сделать фюзеляж легче на 20% по сравнению с аналогом, который можно было бы получить классическим методом. Удалось также сократить затраты времени на производство оснастки и всей конструкции в целом.
Трехмерную печать проводили с использованием термопласта, в который добавлено волокно на основе углерода. Топологическую оптимизацию провели с использованием программного модуля U-opti и внутренних программ, разработанных в МАИ. А поскольку таких результатов уже удаётся достигать студентам, в успехе профессиональных инженеров сомневаться не приходится: оптимизация российского авиастроения идёт полным ходом.
