Революция в авиакосмической отрасли: как аддитивное производство повышает производительность и эффективность

С самых ранних дней аддитивного производства поставщики оборудования и материалов для 3D-печати выделяли авиакосмическую отрасль как важную цель для своих продуктов. Самолеты — это высоко сложные системы с разнообразными деталями, которые могут извлечь выгоду из передовых разработок в области производственных инструментов и материалов, особенно тех, что позволяют уменьшить вес или увеличить прочность компонентов. Некоторые процессы 3D-печати утверждают, что способны сделать и то, и другое.

К сожалению, это не означает, что авиакосмическая отрасль внедряет аддитивное производство быстрее других отраслей. На самом деле, поскольку самолеты и их бесчисленные компоненты должны — по понятным причинам — проходить самые строгие процедуры сертификации и испытаний, на то, чтобы 3D-печатная деталь прошла путь от концепции к внедрению, могут уйти годы или даже десятилетия. Технология уже есть, но знаний, полученных за годы тестирования и наблюдения, недостаточно. Поэтому гораздо проще внедрять аддитивное производство в отраслях с низкими рисками, где на кону не стоят человеческие жизни.

Но хотя внедрение 3D-печатных авиапродуктов может быть медленным, детали, прошедшие сертификацию, уже оказывают серьезное влияние на отрасль. От простых вещей вроде 3D-печатных внутренних стенок салона до абсолютно критических деталей, таких как аддитивно изготовленные металлические компоненты двигателей — аддитивное производство несомненно начинает «взлетать» в одной из самых прибыльных и динамичных отраслей мира.

В этой статье рассматриваются лишь некоторые из способов, которыми аддитивное производство уже используется и будет использоваться в авиакосмической отрасли.

Облегчение и оптимизация прочности

Аддитивное и вычитающее производство отличаются во многих отношениях, и выбор между 3D-печатью и традиционными альтернативами часто ставит в тупик. Однако одно из ключевых различий между этими подходами — их способность формировать внутреннюю геометрию детали.

3D-печать невероятно полезна в таких отраслях, как авиакосмическая, потому что позволяет инженерам создавать компоненты с частично полыми внутренностями, использующими сложные геометрические узоры для максимальной внутренней прочности без увеличения веса. Поскольку 3D-принтеры строят детали «снизу вверх», они могут создавать решетчатые структуры внутри деталей, таких как металлические компоненты двигателей или пластиковые перегородки салона. Сделать это с помощью традиционных процессов, таких как литье (жидкий материал заполняет всю полость) или механическая обработка (режущий инструмент не может достичь внутренности, не пробив наружную оболочку), невозможно.

Трудно переоценить важность этих решетчатых структур. При строительстве самолета каждый грамм веса — препятствие для максимальной эффективности, но 3D-печать позволяет существенно уменьшить массу компонента, создавая его с частично полым, решетчатым интерьером. Переплетенные извилистые нити решетки могут быть расположены математически оптимизированным образом для максимизации прочности и уменьшения напряжений, обеспечивая, что легкая деталь не уступает в прочности — а часто превосходит — полностью сплошной аналог. Главное, пространство между нитями невесомо, что снижает общую массу детали.

Существует множество примеров использования авиакомпаниями 3D-печати для создания легких деталей. В 2011 году исследователи Boeing-owned HRL Laboratories анонсировали разработку металла, который, как они считали, является «самым легким материалом в мире», с плотностью всего 0,9 мг/см³, что делает его примерно в 100 раз легче пенопласта. «Секрет в том, чтобы изготовить решетку из взаимосвязанных полых трубок толщиной стенки 100 нанометров, в 1000 раз тоньше человеческого волоса», — объяснил Тобиас Шедлер, один из исследователей.

По мере того как исследователи продолжают изучать возможности легких 3D-печатных решетчатых структур, авиакосмические компании будут всё больше вовлекаться в аддитивное производство для целей облегчения и оптимизации прочности.

Прототипы и запасные части

Одним из главных преимуществ аддитивного производства — в любой отрасли — является его способность изготавливать детали по запросу и на месте. 3D-принтеры можно установить практически везде, и они работают в основном автономно, что означает очень короткие сроки изготовления 3D-печатных деталей. Благодаря этому авиакосмические компании могут быстро изготавливать новые итерации детали для немедленного тестирования, в конечном итоге сокращая процесс НИОКР и позволяя быстрее завершать детали.

Ускоренное прототипирование — поэтому одно из основных применений аддитивного производства в авиакосмике, и результаты подтверждены: по данным гиганта аддитивного производства Stratasys, использование собственного 3D-печати для авиапрототипов может дать экономию времени около 43% по сравнению с литьем под давлением и ЧПУ-инструментами и около 75% по сравнению с 2D-лазерной резкой.

Еще одна область, где авиакосмика может извлечь выгоду из аддитивного производства — это управление запасами. Средний коммерческий самолет состоит примерно из 4 миллионов компонентов, не все из которых изготавливаются одним производителем. Это означает, что поставщики самолетов должны хранить огромный склад запасных частей на случай ремонта. Закупка этих запасных частей стоит дорого, как и аренда складских площадей для их хранения.

3D-принтеры могут предложить невероятно полезное решение здесь. Вместо заполнения гигантских складов миллионами дорогих запасных деталей, авиакосмические компании могут просто хранить цифровую библиотеку запасных частей в печатаемом формате, таком как STL. Таким образом, компании могут 3D-печатать детали только тогда, когда они нужны. Тактика использования цифровых библиотек запасных частей постепенно внедряется во многих отраслях и займет десятилетия для внедрения в масштабах, но авиакосмика может стать одним из крупнейших бенефициаров.

У 3ERP есть многолетний опыт создания прототипных деталей для клиентов в авиакосмике и других отраслях. Свяжитесь с нами для быстрого расчета стоимости любого проекта.