Твердотельные_лазеры_в_изготовлении_ракетных_деталей (3)

1. Твердотельные лазеры в изготовлении ракетных деталей

Иванова Софья А124Б

2. Введение

• Твердотельные
лазеры — ключевой инструмент в современной
промышленной
обработке
материалов.
Они
находят
широкое
применение
от
мелкого
ювелирного
производства
до
высокотехнологичных аэрокосмических изделий. В частности, в
производстве
ракетных
двигателей
и
других
ответственных
конструкционных элементов лазерные технологии позволяют обеспечить
высокую точность, оптимизацию веса и прочностные характеристики,
недостижимые традиционными методами.

3. Что такое твердотельный лазер

Твердотельный лазер — это лазер, в котором активная среда представляет
собой
твёрдый
кристалл
или
стекло,
легированные
ионами
редкоземельных элементов (например, Nd:YAG, Yb:YAG). Такие лазеры
генерируют мощный узко направленный луч, который может
фокусироваться
в
очень
тонкую
точку,
обеспечивая
высокое
энерговложение на небольшой площади.
Основные преимущества: высокая точность, стабильность, возможность
передачи через оптоволокно и гибкость применения в робото-технологиях.

4. Где применяются

Эти лазеры применяются в аддитивном производстве металлов — в
процессе, известном как лазерное сплавление в порошковой среде (LPBF /
SLM).
Суть процесса: металлический порошок посредством лазерного луча
послойно сплавляется согласно цифровой модели, формируя деталь с
минимальными дефектами.

5. Конкретная деталь ракеты: 3D-печатный инжектор ракетного двигателя

Одним из самых известных примеров применения лазерных аддитивных
технологий в ракетостроении является инжектор топливного узла
ракетного двигателя.
Инжектор — это сложная деталь, через которую топливо и окислитель
подаются в камеру сгорания под высокими давлениями и температурами.
От качества инжектора зависит стабильность горения, эффективность
двигателя, расход топлива и безопасность конструкции.
NASA и партнеры успешно создали и испытали ракетный двигатель с
аддитивно изготовленным лазерным инжектором, выполненным методом
лазерного плавления металлического порошка (Selective Laser Melting —
SLM). Такая деталь выдерживала экстремальные условия давления и
температуры,
сопоставимые
с
эксплуатационными
параметрами
настоящих ракетных двигателей.

6. Производство инжектора классическим методом

Инжектор
представляет собой сложный узел, состоящий из множества
мелких деталей
Основные операции: токарная и фрезерная обработка, глубокое сверление
каналов малого диаметра
Каждый
точности
элемент изготавливается отдельно с высокими требованиями к
Формирование
каналов подачи
возможностями сверления
топлива
и
окислителя
ограничено
Сборка инжектора выполняется с применением сварки, пайки или резьбовых
соединений
Требуется строгий контроль соосности каналов и герметичности соединений
Основные
недостатки:
изготовления
высокая
трудоемкость
и
длительные
сроки

7. Производство инжектора методом аддитивных технологий

Производство
начинается с создания цифровой 3D-модели инжектора и
расчёта течения топлива и окислителя.
Геометрия
каналов
оптимизируется
компонентов и устойчивого горения.
Изготовление
детали осуществляется
плавления (SLM / LPBF).
для
методом
равномерного
смешения
селективного
лазерного
Инжектор формируется как единая цельная конструкция без этапов сборки.
Аддитивные
технологии позволяют создавать сложные пространственные
каналы и вихревые элементы.
После печати проводится термообработка, удаление поддержек и финишная
механическая обработка.
Контроль
качества включает компьютерную томографию, испытания под
давлением и проверку пропускной способности каналов.

8. Почему именно лазер и 3D-печать

Традиционное
производство
инжектора
включает
фрезерование,
сверление и множество сложных сборочных операций, а также сварку
частей между собой. Это связано с несколькими проблемами:
Сложная геометрия каналов для смешивания топлива с окислителем;
Высокие требования по чистоте и точности поверхности;
Необходимость минимизации массы без потери прочности.
Аддитивное лазерное сплавление позволяет создать деталь как единое
целое из сложной пространственной сети каналов, что значительно
повышает её скорость потока, надежность и эффективность.

9. Влияние лазерной обработки на свойства детали

Снижение массы и оптимизации конструкции
Улучшение прочностных свойств
Сокращение количества сварных швов

10. Сравнение методов

Количество
деталей: десятки элементов при классическом производстве и
одна цельная деталь при аддитивном.
Сварные
швы: большое количество потенциальных зон отказа против
практически полного их отсутствия.
Сроки
производства: несколько месяцев
несколько недель при аддитивном.
при
классическом
методе
и
Форма
каналов: ограниченная прямолинейным сверлением и свободная
трёхмерная геометрия.
Масса
конструкции: выше при классическом подходе и ниже за счёт
оптимизации при аддитивном.
Надёжность
и стабильность
изготовленного инжектора.
работы
двигателя
выше
у
аддитивно
Модернизация конструкции требует сложной переналадки при классическом
методе и сводится к изменению цифровой модели при аддитивном.

11. Роботизированная лазерная обработка и сварка в дополнении к 3D-печати

Хотя многие сложные детали печатаются целиком, после этого они часто
подвергаются дополнительной лазерной обработке или роботизированной
сварке, чтобы достичь окончательных допусков по размеру и качеству
поверхности. Роботизированные лазерные системы позволяют:
убрать наплывы и дефекты;
выполнить
точечную лазерную сварку при необходимости добавления
вспомогательных элементов;
обеспечить высокую повторяемость и скорость обработки.
Лазерная сварка особенно эффективна при работе со сплавами,
отражающими много энергии (например, никель-содержащие). Она
обеспечивает узкий и глубокий шов, минимальное термическое
воздействие и низкие деформации.

12. Практические применения в современной космической индустрии

Компания SpaceX использует аддитивные
методы
с
твердотельным
лазером
для
изготовления камеры сгорания и инжектора
двигателя SuperDraco из суперсплава Inconel.
Такой двигатель является одним из первых
полностью 3D-напечатанных для полевых
условий, с высокими плотностями потока
стенок и сложной геометрией каналов
охлаждения.

13. Заключение

Конкретный пример — лазерно-аддитивный инжектор ракеты — наглядно
демонстрирует, как твердотельные лазеры трансформируют производство
высокотехнологичных деталей:
деталь создаётся сложной, цельной и оптимизированной по весу;
повышается прочность и надёжность конструкции;
уменьшается
количество
обработки и сварки;
обеспечивается
робототехникой.
высокая
операций
традиционной
производительность
при
механической
интеграции
с
Таким образом, твердотельные лазеры играют ключевую роль в
современных методах изготовления ракетных изделий, делая возможным
производство компонентов будущего — более лёгких, прочных и
экономичных.

14. Спасибо за внимание!