Крупноформатное аддитивное производство повышает гибкость в авиации

Ascent Aerospace (Макомб-Тауншип, штат Мичиган, США; Санта-Ана, штат Калифорния, США) позиционирует себя как крупнейший в мире поставщик авиационного инструментирования, предоставляющий в основном металлические решения для форм, сборки и обрезки и сверления. Фокус компании по производству форм — на крупных аэроструктурах, таких как гондолы, крылья, фюзеляжи, спары, стрингеры и рамы. Ее приспособления для обрезки и сверления используются в ЧПУ обработке, роботизированной сварке, автоматических прессах, системах инспекции и сборочных применениях.

В 2018 году компания начала рассматривать добавление крупноформатного аддитивного производства в портфолио Санта-Аны и провела оценку систем, материалов и применений на рынке. Признавая, что ей нужна крупноформатная машина, способная производить инструменты типичного для Ascent размера, в 2019 году компания инвестировала в систему LSAM от Thermwood (Дейл, штат Индиана, США) — ячейку аддитивного производства на базе экструзии с двойным порталом/двойной функцией 10 x 40 футов, включающую крупноформатный принтер на одном конце и ЧПУ обработку на другом конце. Система была установлена во втором квартале 2020 года, именно когда началась пандемия.

Шон Хенсон, глобальный менеджер по продуктам, композитам и аддитивному производству в локации Ascent в Санта-Ане, говорит, что хотя время было не идеальным, Ascent смогла сразу поставить новый LSAM на работу и начала многомесячные усилия по пониманию возможностей, преимуществ и ограничений крупноформатного AM в среде инструментостроения.

Кривая обучения и пандемия неwithstanding, Ascent доставила более 20 программ инструментирования через LSAM в первый год его работы. Большая часть этой работы сосредоточилась на производстве приспособлений, вакуумных инструментов обрезки, прототипов и форм. Для приспособлений обрезки Ascent в основном использовала смолу ABS от Techmer (Клинтон, штат Теннесси, США), усиленную 20 в.м.% рубленым углеродным волокном. Для формовочных применений, требующих высокотемпературного циклирования, Ascent печатает либо полиэтерсульфон (PESU), либо полиэтеримид (PEI), оба усиленные рубленым углеродным волокном. Ascent также, в нескольких применениях, печатала поликарбонатом (PC), потому что он предлагает слегка лучшие свойства, чем ABS, и является более высокотемпературным исполнителем. Хенсон говорит, что около 75% продуктов, сделанных с системой LSAM, для комнатной температуры, с балансом, предназначенным для температурного циклирования. Из форм, которые видят температуру, некоторые — мастер-формы и спроектированы для сред <200 °F, в то время как другие спроектированы для автоклавного отверждения до 350-400 °F и 100 psi давления.

Так в чем самое большое преимущество LSAM? Скорость и стоимость, говорит Хенсон. Время выполнения для LSAM-формы в два раза меньше, чем для металлической формы, и затраты на материалы также меньше. «Так что скорость — огромная», — говорит Хенсон. «Причина, по которой мы пошли к крупноформатному аддитивному, была скоростью насыщения материалом и просто количеством, которое мы можем построить, потому что наше инструментирование большое. Мы можем строить действительно большие вещи действительно быстро. Наши печати обычно занимают между восемью и 15 часами. За это время мы способны изготовить инструменты, которые могут весить до 1000 или 1500 фунтов материала. Так что мы смотрим на след 13-14 футов в длину и 5 футов в высоту и печатаем это за менее чем день».

Кроме того, потому что Ascent имеет двойной портал/двойную функцию машину, она может печатать и финишировать формы одновременно. «У нее есть двойной портал», — отмечает Хенсон. «Так что у нас есть способность печатать на одной половине системы и механически обрабатывать на другой половине, и мы можем запускать их независимо, так что мы можем печатать что-то, что 10-15 футов в длину, и механически обрабатывать что-то на другой стороне стола, что такая же длина, и запускать эти операции одновременно». Также Хенсон отмечает, что потому что печать и финиш на одной машине, «фреза знает, где принтер положил материал», что ускоряет последующий механический процесс. Для правильного применения и правильного клиента, говорит Хенсон, 3D-печать предоставляет готовый, используемый продукт быстрее, чем возможно с любым наследственным материалом или процессом.

Недостатки? Есть пара, начиная с аспекта near-net-shape 3D-печати с крупным экструдером. «Все, что мы делаем, это набивка с пост-обработкой механической обработки», — указывает Хенсон. «Компромисс, который вы делаете, чтобы положить столько материала, сколько LSAM может, так быстро, как он может, — это разрешение ваших печатей. Наши [экструдируемые] бусины более трех четвертей дюйма в ширину и около четверти дюйма в высоту. Когда вы смотрите на напечатанную деталь, вы можете увидеть те скаллы, вы можете их почувствовать. Это FDM точечный слой, просто увеличенный в 100 раз. И так для любого типа гладкой поверхности, будь то температурная форма или инструмент обрезки или даже просто гладкий прототип, есть некоторый компонент механической обработки, чтобы получить более тонкую отделку, особенно для авиационных применений».

Второй вызов покоится в факте, что углеродно-волокнисто-усиленный термопластик не ведет себя как Инвар, алюминий или сталь. Анизотропная природа волокнисто-усиленных материалов означает, что их высоковариабельный коэффициент термического расширения (CTE) в форме во время термического циклирования может сделать трудным производство готовых деталей, соответствующих размерным спецификациям. «Это большой вызов, который у нас на стороне дизайна и на стороне печати», — говорит Хенсон. «Клиенты дадут нам финальную форму, а затем нам нужно сделать немного моделирующей работы, чтобы понять, как должна выглядеть форма как с структурной, так и с CTE точки зрения». Хенсон говорит, что Ascent учится корректировать вариабельность CTE в своих дизайнах, опираясь на пробу и ошибку, данные, полученные от предыдущих программ печати и обратную связь клиентов, чтобы помочь уточнить свои дизайнерские возможности.

Хенсон говорит, что эта комбинация стоимости/выгоды — CTE против скорости и стоимости — означает, что возможности LSAM должны быть развернуты осторожно, взвешивая требования применения против дедлайна поставки. «Это действительно хороший способ получить инструмент за пару недель, вместо пары месяцев», — говорит Хенсон. «Но просто будьте осведомлены о компромиссах. Если вы ожидаете, что оно будет реагировать как инструмент из Инвара, где вы получите идеальную деталь, оно этого не сделает. Но для многих клиентов, и особенно для многих клиентов НИОКР и разработки, это действительно хороший способ получить быстрый инструмент».

Тем не менее, по крайней мере, одна из форм, которую Ascent напечатала со своего LSAM, уже используется для производства летающего самолета, с большим числом наверняка последующих. И компания предвидит день, не слишком далекий, когда она исчерпает свою мощность LSAM и потребует добавить больше. Владение компании, говорит Хенсон, видит потенциал 3D-печати и высоко поддерживает ее расширенное использование.