Projektowanie i druk 3D w „SZKOLE ORLĄT” w Dęblinie

2

Dęblińska ,,Szkoła Orląt” istnieje już od ponad 90 lat. Uczelnia posiada chlubne tradycje związane z etosem pilota i walką o wolność Naszą i Waszą w okresie II Wojny Światowej. Wyższa Szkoła Oficerska Sił powietrznych w Dęblinie od wielu pokoleń kształci studentów wojskowych a od kilku lat i cywilnych na kierunkach: pilotaż samolotu, pilotaż śmigłowca, pilot samolotu transportowego, nawigator, kontroler ruchu lotniczego, bezzałogowe statki powietrzne, i wielu innych.

Studenci naszej uczelni oprócz przedmiotów typowo związanych z lotnictwem pogłębiają swoją wiedzę z innych dziedzin wiedzy adekwatnych do wydziału na którym studiują oraz stopnia studiów.

MODEL SILNIKA PZL-10W W RAMACH PRACY DYPLOMOWEJ

Na Wydziale Lotnictwa w Katedrze Płatowca i Silnika w ramach przedmiotu Grafika Inżynierska nasi słuchacze poznają wiedzę dotyczącą projektowania w oparciu o systemy CAD 3D i technologię druku 3D. Dzięki nabytym w ramach wykładów i laboratoriów umiejętnościom tworzą projekty zaliczeniowe oraz wykorzystują wiedzę i oprogramowanie do tworzenia ciekawych prac inżynierskich i magisterskich związanych z tematyką lotniczą. Jedną z takich prac dyplomowych była praca Jakuba Ćwieka pod kierunkiem Andrzeja Komorka i Tomasza Zahorskiego na temat: „Aplikacja technologii druku 3D na podstawie modelu silnika PZL-10W„.

Silniki te produkowane przez Wytwórnię Sprzętu Komunikacyjnego „PZL – Rzeszów” S.A. wykorzystywane są w śmigłowcach W3 „Sokół” które od początku lat 90 z powodzeniem i w różnych wersjach eksploatacyjnych są wykorzystywane w Siłach Zbrojnych RP. Silnik PZL-10W jest przeznaczony do pracy w dwusilnikowym układzie napędowym śmigłowca PZL – Sokół (typ W3, W-3A i ich wersjach). Jednostkę napędową śmigłowca stanowią dwa niezależne silniki PZL-10W połączone z reduktorem głównym. Moc z silników przekazywana jest poprzez wspólną dla obu silników przekładnię główną do wirnika śmigłowca, odbierającego moc bezpośrednio z przekładni głównej, oraz do śmigła ogonowego.

Śmigłowiec W3 - Sokół oraz wykorzystywany na nim silnik PZL - 10W

Śmigłowiec W3 – Sokół oraz wykorzystywany na nim silnik PZL – 10W
Źródło: www.pwrze.com

PRZYGOTOWANIE MODELU CAD DO DRUKU 3D

Model silnika śmigłowcowego turbowałowego PZL-10W wykonano w technologii druku przestrzennego FDM (Fused Deposition Modeling) z wykorzystaniem filamentu PLA na drukarce 3D MakerBot Replicator Z18 dostarczoną przez Autoryzowanego Dystrybutora, krakowską firmę CADXPERT. Replicator Z18 użytkowany jest przez dęblińską „Szkołę Orląt” od ponad roku. To profesjonalna drukarka 3D dedykowana do szybkiego prototypowania i małoseryjnej produkcji. Charakteryzuje się dużą przestrzenią roboczą 305 x 305 x 457 mm, posiada zamkniętą podgrzewaną komorę, kontrolę zużycia filamentu i funkcję autokalibracji, co stanowi o jej efektywności i łatwości obsługi. Wyposażona jest także we własne dedykowane oprogramowanie MakerBot DESKTOP. Maszyna ta znajduje zastosowanie przede wszystkim w nowoczesnych działach R&D, konstrukcyjnych i technologicznych, gdzie kluczowe jest szybkie wykonanie wysokiej jakości prototypu przy niewielkich nakładach czasu i kosztów.

Replicator Z18

Powstała bryła silnika PZL-10W, której wymiary są dwukrotnie mniejsze w porównaniu z rzeczywistym obiektem, ma za zadanie dać pojęcie o sposobie działania lotniczego silnika turbowałowego, zaprezentować podstawowe jego elementy, oraz pełnić role edukacyjno poglądowe. Prezentowany model powstał z zamiarem wykorzystania go w celach poglądowo-dydaktycznych oraz jest jednym przykładów praktycznego wykorzystania nowoczesnych metod wydruku przestrzennego w edukacji przemyśle czy medycynie.

Przygotowanie poszczególnych części składowych stanowiących konstrukcję modelu silnika rozpoczęto od wyeliminowania zbędnych szczegółów takich jak na przykład uszczelnienia labiryntowe i części, które komplikowały proces wydruku, a nie stanowiły istotnych elementów modelu. Usunięto również wnętrze skrzynki napędu agregatów, komorę spalania, charakterystyczny dla tego silnika wirujący wtryskiwacz i wiele innych.

Korpus turbiny napędowej przed (po lewej) i po (po prawej) przygotowaniu do wydruku 3D.

Korpus turbiny napędowej przed (po lewej) i po (po prawej) przygotowaniu do wydruku 3D.

Określono minimalne grubości ścianek elementów, tak, aby były możliwie jak najcieńsze, ale by cechowała je stosunkowo duża wytrzymałość na działanie czynników zewnętrznych. Najcieńsze łopatki bębna sprężarki, turbin sprężarki, turbiny napędowej oraz kierownic sprężarki posiadają grubość 2 mm. Również na tym etapie zastosowano technologię łączenia ze sobą kolejnych podzespołów modelu silnika, w taki sposób, aby istniała możliwość jego późniejszego rozłożenia na pojedyncze części. Końcową czynnością było przygotowanie plików *.STL odczytywanych przez drukarkę. Każda z pojedynczych części została następnie sprawdzona w programie Netfabb, którego zadaniem było wykrycie i naprawa nieciągłości i błędów w strukturze siatki brył poszczególnych części silnika,. Tak zaadoptowane pliki trafiały następnie do oprogramowania drukarki MakerBot Replicator Z18.

Pozycjonowanie i przygotowanie bryły elementu do wydruku w środowisku oprogramowania drukarki MakerBot Replicator Z18

Pozycjonowanie i przygotowanie bryły elementu do wydruku w środowisku oprogramowania drukarki MakerBot Replicator Z18

Przygotowane pliki przed wydrukiem poddawane były ostatniej obróbce jaką było umieszczenie modelu w środowisku oprogramowania MakerBot DESKTOP. Dzięki temu programowi wykonywano skalowanie pozycjonowanie drukowanej części na stole roboczym drukarki. Wprowadzano ostateczne parametry wydruku związane np. z grubością warstw, procentowym wypełnieniem lub rodzajem wypełnienia. Powstałe w Replicatorze Z18 podzespoły silnika PZL-10W posiadają dokładność wydruku od 0,1 do 0,2 mm, natomiast wypełnienie w zależności od części wynosiło od 10 do 20%.

Złożony model silnika PZL-10W gotowy do wydruku.

Złożony model silnika PZL-10W gotowy do wydruku.

OBRÓBKA GOTOWEGO WYDRUKU 3D I ZŁOŻENIE

Otrzymane po wydruku składowe modelu posiadały wiele podpór, które na etapie czyszczenia musiały zostać usunięte. W tym celu wykorzystano różnego rodzaju narzędzia: szczypce lekarskie do odrywania zbędnego materiału, różnej gradacji papier ścierny, pilniki do drewna, urządzenie dremel wyposażone w różnorodne końcówki szlifierskie oraz tnące, nożyki itp.

Dwie połówki obudowy sprężarki po wyjęciu z wnętrza drukarki MakerBot Replicator Z18

Dwie połówki obudowy sprężarki po wyjęciu z wnętrza drukarki MakerBot Replicator Z18

Połowa obudowy sprężarki w trakcie procesu usuwania podpór

Połowa obudowy sprężarki w trakcie procesu usuwania podpór

Układ odprowadzania spalin z silnika we wnętrzu Replicator’a Z18 tuż po wydruku

Układ odprowadzania spalin z silnika we wnętrzu Replicator’a Z18 tuż po wydruku

Montaż końcowy musiał przebiegać w określonej kolejności z powodu technologii zastosowanych połączeń. Model zawiera w sobie dwa osadzone na łożyskach kulkowych pręty węglowe, na które wciśnięte zostały wydrukowane z niebieskiego filamentu komponenty wirujące sprężarki i turbin silnika.

Turbina sprężarki zamontowana na dłuższym pręcie

Turbina sprężarki zamontowana na dłuższym pręcie

Na dłuższym, umieszczonym w przedniej części kadłuba silnika pręcie znajdują się bęben sprężarki, pierwszy oraz drugi stopień turbiny sprężarki.

Drugi, krótszy pręt, umieszczony w tylnej części silnika łączy turbinę napędową oraz imitację wału wyjściowego dla lepszego oddania prawdziwego wyglądu napędu lotniczego.

Poszczególne fragmenty modelu połączone są ze sobą jedynie śrubkami z nakrętkami oraz wkrętami, nie występują żadne połączenia klejone. Zapewnia to możliwość demontażu jak również daje pewność łączenia, bez obawy o jakiekolwiek pęknięcia w przypadku klejonych metod.

Proces składania modelu silnika PZL-10W z wykorzystaniem łożysk i otworów technologicznych do wykonania połączeń śrubowych

Proces składania modelu silnika PZL-10W z wykorzystaniem łożysk i otworów technologicznych do wykonania połączeń śrubowych

Cały model silnika PZL-10W został umieszczony na zaprojektowanej dwuczęściowej podstawce, wykonanej z pleksi. Obie podstawki podtrzymują bryłę silnika w sposób stabilny i pozwalają na rozłączenie modułów silnika od siebie w taki sposób, aby można było zaprezentować brak połączenia mechanicznego pomiędzy wirnikami turbiny sprężarki i napędowej, ponieważ występujące tam tzw. połączenie gazodynamiczne jest cechą charakterystyczną silników turbowałowych.

Czas potrzebny na przygotowanie części do wydruku to około 100 godzin, natomiast sam proces wydruku wyniósł w przybliżeniu ok 300 godzin. Proces obróbki, czyszczenia i składania komponentów w jedną całość również oscylował w granicach 300 godzin. Zużyto niewiele ponad 3,5 kg filamentu PLA, w tym 3 kg szarego i 0,5 kg niebieskiego. Efekt końcowy jest zadowalający biorąc pod uwagę rozmiary konstrukcji, pierwszy kontakt z drukiem 3D i charakterystyką materiału wykorzystanego do jego powstania.

fot. Jarosław Ćwiek

fot. Jarosław Ćwiek

PODSUMOWANIE

Podsumowując wydruk silnika PZL – 10W wykorzystywanego na śmigłowcu W3- Sokół był ciekawym doświadczeniem o charakterze dydaktycznym z elementami czysto praktycznymi. Wykonanie projektu i następnie wydruku silnika dało autorowi dodatkową wiedzę i pozwoliło nabrać doświadczenia w tego typu projektach. Model silnika jest dostępny w Wyższej Szkole Oficerskiej Sił Powietrznych jak przykład wykorzystania nowych technologii w dydaktyce a także innych dziedzinach przemysłu oraz zaprezentowanie postępu, rozwoju nauki, technologii i przemysłu związanego z wydrukiem 3D którego historia to ponad 30 lat doświadczeń i eksperymentów.

fot. Jarosław Ćwiek

fot. Jarosław Ćwiek

Udostępnij.

O autorze

Mjr mgr inż. Tomasz Zahorski i Jakub Ćwiek

Mjr mgr inż. Tomasz Zahorski - wykładowca Wyższej Szkoły Oficerskiej Sił Powietrznych w Dęblinie. Jakub Ćwiek - student Wyższej Szkoły Oficerskiej Sił Powietrznych w Dęblinie.

  • Mateusz Brodowski

    Bardzo ciekawy artykuł – gratuluje efektu i podziwiam ilość włożonej w to pracy, nie zazdroszczę za to usuwania wszystkich podpór z PLA :/

  • poldesigner

    Tylko dla czego taki słaby eksport do stl? wszystko kanciaste.

Rozmowa
z Cedrykiem
?