Как 3D-печать ускоряет инновации и повышает эффективность в авиакосмической отрасли

Эволюция аддитивного производства в авиакосмической промышленности

Авиакосмическая отрасль — это среда с исключительно высокими требованиями. Компоненты должны выдерживать постоянные нагрузки, экстремальное давление и температуры. Постоянные инновации и исследования направлены на создание деталей, которые одновременно прочны, износостойки и легки, что позволяет повысить характеристики летательных аппаратов, упростить обслуживание и повысить производительность труда. Это безупречное качество и надежность должны сочетаться с жесткими графиками коммерческих рейсов и требованием круглосуточной готовности военной авиации. Любой сбой в цепочке производства и логистики может подорвать доступность, качество и даже безопасность как гражданских, так и военных полетов.

Вклад аддитивного производства в авиакосмику

На ранних этапах развития 3D-печати это был инновационный, но ограниченный метод производства. Принтеры были дорогими, медленными и слишком компактными для промышленного масштаба. Рынок материалов был скуден, особенно в части инженерных полимеров, а производители оборудования часто блокировали использование сторонних расходников (vendor lock-in). Те времена безнадежно устарели.

Сегодня аддитивное производство — это зрелая отрасль с непревзойденной гибкостью дизайна и совместимости материалов, специализированным ПО для точного проектирования и реверс-инжиниринга, широким выбором передовых материалов для самых специфических задач, крупногабаритными принтерами с большими зонами печати и возможностью изготавливать легкие детали, не уступающие по характеристикам фрезерным аналогам.

Авиакосмическая отрасль стремится к легким деталям, которые по производительности равны традиционно изготавливаемым алюминиевым компонентам. Снижение веса (лайтвейтинг) позволяет самолетам лететь быстрее, дальше и с меньшим расходом топлива. Каждые 500 кг снижения веса дают примерно 1% экономии топлива, что также означает сокращение выбросов CO₂.

Любая инновация в авиакосмике проходит строгую экспертизу на соответствие множеству строгих правил FAA по безопасности полетов и воздушной годности, будь то гражданский или военный самолет. Устаревшие машины часто содержат компоненты из материалов, позже признанных токсичными, или из материалов, которые больше не производятся и их нужно воссоздать.

Компании в сфере аддитивного производства предлагают широкий спектр филаментов, сертифицированных FAA благодаря высокой разрывной прочности, химической и термической стойкости без вредных побочных эффектов. Примеры — филаменты семейства PAEK, такие как Essentium PEI 9085 ULTEM, Essentium PEEK или Essentium PEKK. Эти материалы допущены для применения в полетных конструкциях. Филамент ULTEM PEI использовался для 3D-печати деталей систем освещения, электрических выключателей, корпусов и патронов ламп.

Филамент PEEK применялся для замены алюминиевых деталей двигателей, подшипников, клапанов, а также легких коробов для изоляции и защиты оптоволоконных кабелей и электрических систем внутри самолета.

Гибкое и оперативное внутреннее обслуживание

Роль 3D-печати в авиакосмике выросла далеко за рамки прототипирования, хотя это направление остается актуальным. Учитывая масштабы и затраты в отрасли, традиционное прототипирование через литье в формы и фрезерную обработку требует огромных временных и ресурсных затрат. 3D-печать прототипа самолета или его узла радикально снижает стоимость, отходы материалов и задержки, позволяя создавать гораздо более сложные структуры, чем при фрезеровке.

Помимо производства компонентов для спутников (антенны космических аппаратов), дронов и БПЛА (лопасти роторов и детали двигателей), наиболее распространенные применения аддитивного производства в авиакосмике — это изготовление наземного оборудования и некритических несилового в полете компонентов.

Так как самолеты — дорогостоящие активы, старые экземпляры часто эксплуатируются дольше расчетного срока. Аддитивное производство идеально подходит для небольших задач обслуживания. Речь идет о 3D-печати утерянных или поврежденных несущественных элементов интерьера: подстаканников, подносов, крышек унитазов, воздуховодов, приборных панелей и т.д. Благодаря аддитивным технологиям можно воссоздать деталь даже без чертежей, используя реверс-инжиниринг — сканирование детали, обработку в CAD и последующую печать.

То же самое касается всех видов инструментов, приспособлений и оправок. В этой сфере инновации с 3D-печатью внедряются легче, так как наземное обеспечение не подвергается такой строгой проверке со стороны FAA, как летные детали. Даже если оригинальный инструмент снят с производства, его можно напечатать по чертежам или адаптировать дизайн под существующие крепежные элементы. При традиционном вычитающем производстве это потребовало бы гораздо больше времени и материала. Для изготовления легких, но эффективных инструментов, приспособлений и оправок используют материалы, усиленные углеродным волокном, стекловолокном или металлом. Это дает детали, вес которых до на 50% меньше алюминиевых, при сохранении отличной прочности и теплостойкости. Отличные филаменты для этих целей — Essentium HTN CF25, PA CF или ABS MG94. Помимо прочности, стойкости и легкости, филаментам для авиакосмики важны трудогорелость и ESD-защита. Производственные и ремонтные зоны — это пространства с повышенными температурами, взрывоопасными веществами и статическим электричеством — опасная смесь для оборудования и персонала. Филамент Essentium TPU 90A FR обладает огнеупорными свойствами, что существенно снижает риск возгорания и распространения огня, делая его идеальным для инструментов и приспособлений в ангарах и вокруг самолета.

Филамент Essentium TPU 58D-AS разработан специально для авиакосмической отрасли для изготовления деталей, которые должны быть сняты перед полетом (отсюда красный цвет для привлечения внимания). TPU 58D-AS снижает риск электростатического разряда, который опасен для людей и электронных компонентов, критически важных для навигационных систем самолета и других функций.

Преодоление логистических ограничений

Поддержание самолетов в безопасном, готовом к полету и к выполнению боевых задач состоянии в гражданской и военной авиакосмике имеет первостепенное значение, даже более высокое, чем постоянные инновации. Аддитивное производство находит столько применений именно потому, что дает авиакомпаниям, курьерским службам и армии большую независимость и гибкость в обслуживании своего флота.

Пандемия COVID-19 кардинально изменила мир. Авиакосмическая отрасль не стала исключением: цепочки поставок внезапно остановились на неопределенный срок. Это парализовало производство, обслуживание и поставки из-за зависимости от подрядчиков и транспортных компаний — следствие традиционной производственной модели. Многие авиакомпании понесли колоссальные финансовые убытки из-за отмены рейсов, что заставило искать способы сокращения затрат. Аддитивное производство может стать ответом.

При традиционном производстве, таком как фрезеровка, изготовление ESD-защищенного компонента, коррозийно-стойкой детали и высокотемпературного элемента, скорее всего, потребовало бы дорогостоящих услуг трех разных подрядчиков, разного и длительного времени ожидания (также зависящего от поставщиков подрядчиков) и сложной или невозможной доставки в случае военных самолетов, базирующихся за границей.

Еще одна проблема — одноразовые инструменты или детали для замены в малых сериях повсеместны в авиакосмике. Обращение к литью в формы или фрезеровке для изготовления уникального инструмента для единственного применения означало бы неоправданные затраты и неоправданно длинные сроки. Вся эта проблема решается 3D-печатью, так как один 3D-принтер может использоваться на месте для производства всех этих деталей из разных передовых технических филаментов при значительно меньших затратах и рисках задержек. Такой подход также исключает необходимость хранения запасных частей по всему миру для проведения обслуживания, поскольку любую нужную деталь можно напечатать в любом месте и в любое время по запросу. Все эти незначительные улучшения в сумме приводят к общему упрощению и сокращению цепочки поставок и производства в авиакосмике, что, в свою очередь, снижает издержки и компенсирует углеродный след, который оставляют самолеты.

Примеры из реальной практики

Яркий пример применения аддитивных технологий в реальном авиакосмическом контексте — компания Axle Box. Они разработали дроновую платформу для SkyFire для клиентов в сфере лесного хозяйства и пожарной защиты. Эти элементы должны были выдерживать условия крупномасштабных авиапожарных операций — огонь, воду и ветер. Детали были произведены по минимальной стоимости и с кратчайшими сроками выполнения по сравнению с конкурентами. Средняя секция корпуса дрона была напечатана из филамента Essentium HTN CF25, а боковые чехлы — из PA CF. Оба материала проявили себя выше ожиданий в летных испытаниях, демонстрируя отличные механические свойства и высокую скорость.

Очень распространенная неисправность в самолетах — отказ гидравлики, в основном из-за веса воздушного судна и нагрузок, которые оно испытывает в полете. Раньше ремонт гидравлической неисправности был очень трудоемким по времени и персоналу, так как требовал участия нескольких техников для доступа к источнику поломки и удержания заменяемой детали в месте во время установки. Такие отказы случались часто и их устранение стоило дорого, поэтому крупный авиакосмический производитель решил напечатать в 3D кронштейн, который удерживает заменяемую деталь на месте, устраняя необходимость в дополнительном персонале.

Внедрение аддитивного производства в авиакосмику стало прорывным развитием как для аддитивных технологий, так и для самой отрасли. Для мира 3D-печати это стало увлекательным и трансформирующим вызовом из-за необходимости большого количества специализированных материалов с передовыми свойствами. А для авиакосмической отрасли это стал крупным шагом к большей гибкости проектирования, снижению затрат и логистической независимости благодаря впечатляющей скорости, масштабу и итерационным возможностям 3D-печати.