SPOLUPRÁCE NA DLT A DPL NA TECHNOLOGII ADITIVNÍ VÝROBY

Hlavním cílem bylo zjištění možného využití této technologie jako alternativy ke konvenčně odlévaným součástím. Při zvládnutí této technologie by mohla DPL do svého repertoáru zařadit i možnost rychlé výroby vzorkových kusů z kovového tisku a umožnit tak svým zákazníkům rychlejší zahájení sériové výroby. Na Divizi letecké techniky (DLT) tou dobou probíhalo nezávislé testování stejného materiálu na aditivně vyrobeném oběžném a rozváděcím kole turbínového motoru. Během testů komponent v reálné zátěži však došlo vlivem velkého tepelného zatížení k nepřípustnému protažení lopatek oběžného kola, které vedlo k nucenému ukončení testu. Tímto prakticky došlo k vyčerpání možností využití materiálu IN718 na oběžná kola turbín. Pro statická rozváděcí kola je nutné jeho použití individuálně zvážit a DLT nadále pokračuje v jeho testování. Koncem roku 2018 se v materiálovém portfoliu společnosti SLM Solutions objevila možnost aditivní výroby materiálu IN939, který oproti již testovanému materiálu IN718 vyniká lepšími mechanickými vlastnostmi za zvýšených teplot. Pro rok 2019 se objevilo v plánech obou divizí podrobné testování tohoto nového materiálu a jako první logický krok se tedy nabízelo spojení vývojových skupin do jednoho společného týmu, který by se zaměřil především na tento nový materiál a měl by za cíl analyzovat jeho mechanické vlastnosti. Na základě výsledků analýz by mělo dojít k výrobě zkušebního vzorku pro testování v reálné aplikaci - pomocné energetické jednotce Safír 5L (PEJ S5L).

V průběhu roku 2019 proběhlo testování již zmiňovaného materiálu IN939, byly provedeny tahové zkoušky, které potvrdily předpoklad výborné odolnosti tisknutého materiálu v tahu. Mez pevnosti i smluvní mez kluzu tohoto materiálu přesahovala hodnoty dosahované litím, a to až o desítky procent. V navazujících zkouškách dlouhodobé pevnosti však již výsledky neodpovídaly nastaveným limitům, nicméně pro účely testování byly tyto hodnoty shledány  jako dostačující. Problematikou dlouhodobé pevnosti se budeme i nadále zabývat v letošním roce. Během prací na projektu byla navázána intenzivní spolupráce s řadou výzkumných ústavů a institutů. Za zmínku stojí spolupráce s aplikačním centrem společností SLM Solutions v německém Lübecku, Vysokým učením technickým v Brně nebo českou společností Innomia, a.s.

OBĚŽNÉ KOLO

Pro testování aditivně vyrobených komponent z IN939 v reálném stroji bylo vybráno oběžné kolo prvního stupně turbíny PEJ S5L (obr. 1), jehož výrobu zajišťovalo aplikační centrum společnosti SLM Solutions v německém Lübecku.
Jedním z hlavních aspektů, který ovlivňuje použitelnost dílu v reálné aplikaci je struktura jeho povrchu. Nevhodná drsnost vnější geometrie lopatek může působit jako koncentrátor napětí, či způsobovat  výrazné aerodynamické ztráty. Při aditivní výrobě komponent
je jedním z parametrů výška tisknuté vrstvy, ta výrazně ovlivňuje výsledný schodovitý efekt na sklonitých plochách a v konečném důsledku tak negativně přispívá k celkové jakosti textury povrchu.

Tento fenomén je možné pozorovat na na obr. 2, kde je zachycen povrch lopatky vytisknutého oběžného kola. Po důkladné analýze byla textura povrchu aditivně vyráběné součásti shledána jako dostačující pro prvotní testování komponent a v letošním roce proběhnou zkoušky při reálné zátěži.

ROZVÁDĚCÍ KOLO S CHLAZENÝMI LOPATKAMI

Rozváděcí kolo prvního stupně turbíny PEJ S5L patří k naším tepelně nejexponovanějším dílům. Na náběžné hrany lopatek tohoto staticky uloženého kola vstupují plyny ze spalovací komory o teplotách přesahujících 900 °C. Nebylo tedy divu, že jsme si pro ověření praktického využití aditivní technologie ve výrobkovém portfoliu naší firmy vybrali právě tento díl, který je standardně vyráběn na DPL jako odlitek z materiálu IN713LC.
Vzhledem k tomu, že se jedná o staticky namáhanou součást, byl zvolen jako materiál IN718, který je podle našich dosavadních zkušeností schopný splnit mechanické požadavky této aplikace. Rovněž je v porovnání s materiálem IN939 levnější a jeho tisk je možné realizovat v ČR u firmy Innomia, a.s.

U tohoto rozváděcího kola byl využit jeden z hlavních benefitů aditivní technologie, což je výroba dílů, které jsou konvenčními technologiemi nevyrobitelné. Jedná se zejména o různé dutiny, kterými je možné díl výrazně odlehčit. V našem případě se jednalo o nezanedbatelných 35 % z váhy komponenty. Dále se v dílu navrhl systém kanálků pro chlazení lopatek vzduchem, což zvyšuje odolnost proti tepelné zátěži. Při tvorbě vnitřních struktur bylo nutné dodržovat zásady stavby dílce, kdy vše, co je „stavěno“ pod úhlem větším jak 50 ° od kolmice k tiskové ploše, vyžaduje systém podpor. To se nám zcela nepodařilo dodržet při návrhu kanálků chlazených lopatek. Software pro 3D tisk vytvořil automaticky generované podpory, které měly značně negativní vliv na průtok vzduchu kanálky. Situaci se podařilo vyřešit pomocí navrhnutí inovativních podpor naší konstrukce, které slouží současně jako teplosměnná žebra (obr. 5 a 6). Nejen že jsme splnili požadavek na zajištění podpor pro stavbu dílce, ale podpory byly navržené takovým způsobem, aby předávali co nejefektivněji teplo z materiálu do chladícího vzduchu.

ZHODNOCENÍ SPOLUPRÁCE

Spolupráce DLT a DPL je dalším příkladem rozvoje naší společnosti. Řešená problematika zaměřená na aditivní technologie (3D tisk) turbínových a rozváděcích kol a jejich materiálových vlastností je pro obě divize společná a vzájemně výhodná. Pro DLT z hlediska konečného produktu, coby zákazníka, který těží z rychlejšího vývoje průtočných částí nebo přidaných vlastností a pro DPL, coby dodavatele, který zkrátí přípravu výroby odlitků a bude schopen nabídnout svoje produkty ve velmi krátkém čase.
Aditivní technologie je nový prostředek pro rychlejší dosažení cílů, který však vyžaduje změnu přístupu myšlení. Budeme i nadále pokračovat v navázané spolupráci v aplikaci toho nejlepšího, co nám současný svět 3D tisku může nabídnout.
V rámci spolupráce jsme dosáhli funkčního, komplexního, ale výrobně složitého řešení. Ověření přínosu navrženého prvního stupně turbíny PEJ S5L bude vyžadovat množství testů. Proto o tomto projektu zajisté uslyšíme i v budoucnosti.