3D-печать металлами активно применяется для создания и ремонта изделий, которые трудно сделать обычными методами. В авиации ее используют, например, для изготовления деталей, таких, как завихрители камеры сгорания - ключевые компоненты двигателей. Такая технология ускоряет процесс, снижает затраты, количество отходов и риск возникновения брака. Тем не менее, из-за усталости материала, (постепенного разрушения от постоянных нагрузок) напечатанные металлом детали часто выходят из строя. В Пермском Политехе нашли способ делать эти конструкции прочнее, оптимизировав их обработку и направление печати. Это значительно сократит затраты авиапромышленности на прототипирование и изготовление новых деталей.

Статья опубликована в журнале "Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника" № 80 за 2025 год. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (проект № 23-29-00900).

Аддитивное производство новых деталей дешевле и удобнее, чем традиционные методы. Оно распространено в авиации, автомобилестроении и энергетике. Особенно широкое применение в 3D-печати находит титановый сплав ВТ6. Из него изготавливают лопатки турбин, элементы двигателей, облегченные кронштейны и крепления, детали фюзеляжей и шасси, компоненты выхлопных систем, станков, теплообменники и многое другое.

- При такой методике изготовления есть свои недостатки: в изделиях могут быть дефекты (поры, неравномерная структура), из-за чего материал становится менее прочным. В результате такие детали часто выходят из строя из-за усталости металла. Особенно уязвимы места с концентраторами напряжений - например вырезы или отверстия в местах крепежей для болтов, клепок и так далее, - комментирует Александр Паньков, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

Даже небольшие дефекты поверхности сокращают срок службы авиационных и космических конструкций, поэтому необходимо тщательно изучать, как эти слабые места влияют на их конечное состояние. Чтобы это выяснить, ученые Пермского Политеха провели серию экспериментов с образцами титанового сплава ВТ6, напечатанными на 3D-принтере.

- Для проверки прочности мы изготовили образцы и вырезали их в трех направлениях: вдоль, поперек и под углом 45°C к слоям печати. Затем провели испытания, имитируя реальные нагрузки в авиации и космонавтике. Сравнили полированные и необработанные образцы, а также модели с односторонними и двусторонними вырезами, в которых "скапливаются" напряжения. При высоких нагрузках порядка 750 МПа разница между полированными и шероховатыми образцами была минимальна - разрушение начиналось у выреза независимо от полирования. При низких, около 250 МПа, обработанные объекты выдерживали в 2-3 раза больше циклов. Для промышленности все это означает, что полировка оправдана не всегда - если деталь работает под высокой нагрузкой и проходит регулярные проверки, можно сэкономить на обработке, - рассказал Артем Ильиных, кандидат технических наук, доцент кафедры "Экспериментальная механика и конструкционное материаловедение", старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики.

Политехники также выяснили, что вертикально наплавленные детали прочнее, чем поперечные и под углом 45°C. То есть, детали с отверстиями/переходами нужно проектировать с учетом направления печати. В пример можно привести авиационную конструкцию с охлаждающими каналами (двухсторонними отверстиями). Она будет менее долговечной, чем цельная, без вырезов, но это можно компенсировать это за счет ориентации, напечатав ее в вертикальном направлении.

Результаты исследования ученых ПНИПУ помогут улучшить проектирование 3D-печатных деталей для авиадвигателей, снизить затраты на полировку, предотвратить поломки в ответственных узлах, где важна устойчивость к многократным нагрузкам. В дальнейшем планируется испытание метода на реальных деталях аэрокосмической техники.