Современные тенденции использования Powder Injection Molding (PIM) для производства ответственных фасонных изделий

M.Ashby, «Materials Selection in Mechanical Design»
N.Chawla, K.K. Chawla «Metal Matrix Composites», 2006, Springer
«Handbook of metal injection molding», edited by D.F. Heaney, 2012, Woodhead Publ.
Относительная роль основных конструкционных материалов
3

Рекомендуемая литература
2

Выбор инженерного решения, база данных
4

Выбор инженерного решения, база знаний, карты выбора
5

6
Выбор инженерного решения, база знаний, карта выбора

Важное приложение для MMC - это ракеты (Shakesheff and Purdue, 1998). Для ракет обычные алюминиевые сплавы не обладают требуемой прочностью и термостойкостью. Сталь и титан не приемлемы с точки зрения массы. MMC предлагают повышенную прочность и жесткость без увеличения веса. Кроме того, повышенная температура воздействует на ракету очень короткой по продолжительности отрезок времени (с момента ее запуска, до момента, когда она встречает цель). Таким образом, MMC рассматриваются в ракетных крыльях и плавниках.
Использование алюмоматричного композита в конструкции ракеты
7

Варианты конструкторско-технологических решений
Конструкция двигателя, лопасти и размещение в ней композиционного материала, а) изделие; б) лопасть; в) композитная вставка и один из уровней ее защиты
Изменение конструкции и геометрии шатуна в связи с заменой материала, а) стальной шатун (деталь), б) комбинированный шатун из металла и углепластика (деталь), в) комбинированный шатун (сборочная единица).
Детали, изготовленные из МКМ, армированные частицами
9

10
Выбор технологического решения
New process Development

11
Современные материалы и объемы их использования

Материалы в конструкции планера легких истребителей
12

Применение дискретно-армированных МКМ в планере истребителя F-16C/D
13

Диск компрессора типа «bling»
Варианты конструкторско-технологических решений
8

14
Свойства МКМ на титановой матрице

15
Свойства SiC-волокон, применяемых в Ti-МКМ

16
Стойки шасси самолета F-16C

17
Поршень привода отклоняемого сопла ГТД F119-PW-100

18
Тяга управления створками сопла ГТД F110-GE-129

19
Composite materials account for 50% (by weght) of the Dreamliner and aluminum alloys 20%. By way of contrast, the Boeing 777 consist of 11% composites and 70% aluminum alloys. These composites and aluminum contents as well as contents for other materials used in the construction of both 777 and 787 aircraft (i.e., titanium alloys, steel, and other) are listed in poster №3.
Use of composites in the Boeing 787 Dreamliner

Уменьшение веса компонента является значительной движущей силой для любого применения в аэрокосмической промышленности. Первым успешным применением непрерывных армированных волокном MMC было усиленные борным волокном трубчатые стержни (распорки в каркасе) и элементы фермы ребер средней части фюзеляжа космического челнока. Стойки обеспечивали экономию веса на 45% по сравнению с неармированным алюминием. В телескопе Хаббла, композит на основе алюминиевого сплава и непрерывного углеродного волокна был использован для волноводных штангами из-за его легкого веса, высокого модуля упругости и низкого коэффициента теплового расширения. Материал изготовлен из листового материала с диффузионным соединением и имеет длину 3,6 метра. Стрела требует хорошей жесткости и низкого коэффициента расширения для поддержания положения антенны во время космических маневров. В таблице показаны свойства однонаправленных армированных волокном MMC, используемых в космических применениях.
20
Космические аппараты
*P100 – углеродное волокно.

Al/Bf tubular struts in the frame and rib truss members of the mid fuselage section of the space shuttle (courtesy of S. Rawal; reprinted with permission from The Minerals, Metals, and Materials Society). The struts provide a weight savings of 45% over unreinforced aluminum.
Carbon fiber reinforced 6061 Al matrix composite used as antenna waveguide/boom on the Hubble Space Telescope (courtesy of S. Rawal; reprinted with permission from The Minerals, Metals, and Materials Society): (a) before integration on the telescope and (b) deployed in space.
21

Тенденции применения материалов в авиационных ГТД
22

Кольцевая камера сгорания ГТД F136
23

24

Примеры деталей, изготовленных зарубежными производителями МIM – методом: а) – детали огнестрельного оружия; б) – лопатка двигателя из сплава IN718; г) – детали эндопротеза из сплава Ti6Al4V; г) – завихритель двигателя из сплава Hastelloy X
25

26
Материалы и процессы, превращающие РМ в PIM

27

АМ (SLS) и/или PIM?
Практическая значимость выбора технологического маршрута
Проблема:
SLS- генерация безопорных поверхностей детали ведет к значительной шероховатости
Шероховатость
поверхностей SLS - детали
Шероховатость
поверхностей PIM - детали
28

«AM is in the minds of many people linked to the digital world of Silicon Valley, whereas MIM is linked to industry. AM connects with creativity, MIM connects with cost reduction and production». «АМ – это для работников цифрового мира специалистов Силиконовой Долины, тогда как MIM – для специалистов промышленности.
АМ там, где творчество и созидание, MIM – там, где решаются вопросы производства и снижения стоимости продукции». PIM-International, Vol.10, N4, 2016.
На фотографии одна из конструкций завихрителя авиационного двигателя, представленных в открытой печати ( 2016-й год), изготовленная специалистами фирмы Alliance MIM SA (Франция). В конкуренции методов АМ (SLS) и MIM, остро протекающей в Европе и США, специалисты фирмы отдали предпочтение MIM технологии. Сложная деталь диаметром 47мм изготовлена из жаропрочного порошкового никелевого сплава Hastelloy X (HX). Потенциально такая деталь могла бы быть изготовлена АМ методом, но возникли сомнения в возможности организации всех поддержек, в гарантиях точности геометрии всех мелких отверстий и стоимости производства. Последнее обстоятельство оказалось самым решающим, поскольку требуемый объем производства составил более 1000 шт/год. Монолитное изделие получено совместным спеканием сборки из 4-х изготовленных отдельно зеленых деталей. В перспективе у фирмы MIM производство лопаток авиационных двигателей из жаропрочных сплавов, которые не могут быть получены традиционным литьем или изготовлены механической обработкой, длиной до 300 мм. Внизу – заключение о перспективах АМ и MIM.
29