Революция в авиакосмической отрасли: 3D-печать структурных компонентов

Несомненно, вы слышали много ажиотажа вокруг 3D-печати и аддитивного производства в последние годы, формирующего в медиа ожидание, что «традиционный» завод скоро станет историей. Речь о чудесных новых методаях, о прямой печати пластиковых, резиновых и металлических деталей, о военной и орбитальной печати запасных частей возвещает новый рассвет.

Возможно.

Однако в одной отрасли влияние очень реально, немедленно и, по крайней мере, часть ажиотажа не полностью ошибочна!

С быстрыми достижениями в технологии 3D-печати авиакосмическая отрасль находится на стартовой линии революционного пути, особенно в области структурных компонентов более низкой точности и простой функции. 3D-печать стала прорывной техникой для быстрого создания сложных и индивидуальных деталей — лишь бы вы не искали дешевых решений.

3D-печать позволяет изготавливать исключительно лёгкие и долговечные компоненты сложного для традиционного производства дизайна, максимизируя производительность и топливную эффективность при соблюдении строжайших стандартов безопасности в отрасли. Чтобы понять весь потенциал этой прорывной технологии, полезно изучить ключевые факты и передовой опыт 3D-печати и то, как они могут применяться к требованиям авиакосмического производства.

В этой статье мы исследуем сложности 3D-печати и то, как она трансформирует будущее производства структурных компонентов в авиакосмическом секторе, предоставляя вам вводный материал для уверенного (и свободного от хайпа) старта.

Какова цель 3D-печати авиационных структурных компонентов?

Главная цель 3D-печати для структурных авиакосмических компонентов — создавать детали способом, который одновременно коммерчески жизнеспособен и строго соответствует применимым стандартам безопасности и экологии, а также требованиям безопасности полётов. Быстрое производство сложных, лёгких деталей и индивидуальных компонентов, позволяющих быстрые циклы обслуживания/разработки и сохраняющих производительность как самолётов, так и космических аппаратов, помогает обеспечить надёжные/безопасные и рентабельные полёты. Сложные геометрии, медленные или невозможные для производства традиционными методами, теперь могут быть изготовлены быстро с помощью 3D-печати. Авиакосмическая отрасль начинает новый процесс инноваций благодаря 3D-печати.

Какие авиационные структурные компоненты можно 3D-печатать?

Авиационные структурные компоненты, поддающиеся аддитивному производству, включают:

1. Топливные форсунки.
2. Лопатки турбин.
3. Беспилотные летательные аппараты.
4. Корпуса спутников.
5. Приводы рулей управления

Как работает 3D-печать авиационных структурных компонентов?

Авиационные структурные и функциональные компоненты 3D-печатаются с использованием САПР-данных (Computer-Aided Design), обрабатываемых в реальные объекты путём нанесения и сплава материала слой за слоем для быстрого построения готовых деталей. Следующий список описывает этот процесс подробнее:

1. 3D-модель, спроектированная в САПР, служит основой процесса.
2. Для создания компонента программное обеспечение настройки сборки 3D-принтера интерпретирует дизайн в серию срезов и инструкций по параметрам строительства, которые может прочитать принтер.
3. 3D-принтер размещает материалы — такие как металлы или полимеры, в виде нити, жидкости или порошка — на строительной платформе, сплавляя их самим с собой и со слоем ниже.
4. Слой за слоем высота нарастает до завершения компонента.
5. Деталь извлекается, очищается и пост-обрабатывается. Это может быть ручным или автоматизированным и может включать удаление опорных структур, абразивную обработку или второстепенную отделку.
6. Где требуется более высокая точность (например, рабочие поверхности подшипников или диаметры отверстий) может потребоваться пост-обработка станочной обработкой.

Помимо быстрого построения деталей со сложными геометриями, уменьшения отходов материала и производства лёгких компонентов с улучшенной производительностью, 3D-печать даёт инженеру большую свободу проектирования, чем другие методы fabricación.

Каковы преимущества 3D-печати в авиакосмической отрасли?

Типичные преимущества 3D-печати в авиакосмической отрасли:

1. Аддитивное производство позволяет консолидировать подсборки в единичные компоненты, которые иначе невозможно изготовить. Сокращение количества деталей также снижает риск FOD (инородных объектов и мусора).
2. Аддитивные технологии позволяют создавать сложность в дизайнах, которая иначе неосуществима менее продвинутыми методами. 3D-печать не должна соответствовать требованиям линейного обзора, как механическая обработка.
3. Природа 3D-печати позволяет быструю итерацию изменений дизайна без необходимости изменений производственного оборудования, кроме моделей в 3D-слайсере.
4. Эти процессы оснащают проектировщиков и производителей быстрым, по запросу производством в любой точке мира, где есть оборудование, сокращая время выхода на рынок и затраты на цепочку поставок и снижая сложность полевой инфраструктуры.
5. Стратегическое и осторожное применение аддитивных производственных процессов делает цепочку поставок более хрустальной, надёжной и последовательной.

Каковы недостатки 3D-печати в авиакосмической отрасли?

Недостатки 3D-печати в авиакосмической отрасли включают:

1. В зависимости от используемой технологии и требуемого уровня точности детали в её функции, некоторые из этих деталей требуют дополнительной пост-обработки. Эта фаза включает дополнительные задачи от точной механической обработки через полировку и покрытие для уточнения 3D-напечатанных компонентов под конкретные нужды. Пост-обработка обычно требует тонкого и квалифицированного ручного труда и поэтому увеличивает время производства и затраты. Это может быть в масштабе стоимости напечатанной детали, умаляя несомненные преимущества упрощённого производства.
2. Замечательный массив компонентов, которые можно получить от 3D-печати, ограничен отсутствием точно выбираемых сортов материалов во многих случаях. Авиационные регуляции требуют специализированных и строго специфицированных материалов. Следовательно, авиакосмический инженерный сектор ограничен количеством вариантов материалов, ограничивая способность технологии создавать более широкий спектр авиационных элементов в этот инновационный/переходный этап.
3. Пока 3D-печать повышает производительную эффективность, она может сильно снизить рентабельность. Там, где стоимость компонентов перевешивает затраты на сроки, она не может служить. Однако как метод для чрезвычайно быстрого создания сложных деталей, нечувствительных к стоимости, она занимает место, которое становится всё более значимым.

Каковы примеры применения 3D-напечатанных авиационных структурных компонентов?

Были исследованы различные применения 3D-напечатанных структурных компонентов в авиакосмической отрасли, с пока ограниченным внедрением в полётах. Кронштейны крыльев, компоненты приводов для самолётов, лопатки роторов дронов, топливные форсунки, камеры сгорания и даже части внутренней структуры двигателя — несколько примеров опробованных и хорошо принятых компонентов. Эти применения подчёркивают замечательную адаптивность и потенциал этого производственного метода в его возможности повлиять на сектор. Ясно, что 3D-печать на пороге перестройки производственных процессов сектора со своими бесконечными возможностями.

Какие материалы используются в 3D-печати авиационных структурных компонентов?

1. Титановые сплавы

Титан — высокопроизводительный материал, идеально подходящий для авиакосмического сектора, где его высокая стоимость не запретительна, а его соотношение прочность/вес и исключительная коррозионная стойкость несомненно полезны. Кроме того, производственные процессы, используемые для производства титановых деталей, ограничены, и трудности производства значительны. Аддитивное производство обходит большинство этих проблем и доставляет высокопроизводительные детали, предлагающие массово более низкое сопротивление цепочки поставок и логистические трудности.

2. Алюминиевые сплавы

Алюминий ни в коем случае не плохой второй выбор по сравнению с титаном, так как он обеспечивает почти то же соотношение прочность/вес и значительно более низкую стоимость сырья и (традиционной) обработки. Значительно более простая цепочка поставок для материалов аддитивного производства означает больше вариантов для выбора, а более низкие энергозатраты на сборку позволяют использовать оборудование меньшей мощности или более быстрые операции сборки. Алюминий обычно предлагает хорошие коррозионные свойства для авиакосмических применений, и это может быть значительно усилено анодированием, формирующим контролируемую и точную оксидную плёнку на деталях, исключающую кислород даже при влажности.

3. Никелевые сплавы

Никелевые сплавы предлагают экстремальную производительность при высоких температурах, а также отличную коррозионную стойкость. 3D-напечатанные детали из никелевых сплавов привлекли много внимания в авиакосмическом секторе, особенно для экспериментального использования в лопатках турбин, реального полётного применения в камерах сгорания и выпускных частях газовых турбин, а также компонентов ракетных двигателей в горячем использовании. Никелевые суперсплавы играют решающую роль в повышении общей эффективности и надёжности критических систем.

4. Нержавеющая сталь

Нержавеющие стали нескольких сортов широко используются в аддитивном производстве по различным неавиационным секторам, привнося прочность и исключительную коррозионную стойкость в инструментальное оснащение, промышленное оборудование и многое другое. 3D-напечатанные детали из нержавеющей стали могут предлагать надёжные, долговечные структурные и функциональные компоненты для высоконагруженных применений в авиакосмике. Детали, обеспечивающие успешную работу воздухо- и космических судов в шасси, включая стойки и поддерживающие структуры, изготавливаются из этого семейства сплавов и должны выдерживать удивительные нагрузки при посадке. Отличительное сочетание коррозионной стойкости, прочности и долговечности выделяет нержавеющую сталь и делает её идеальным выбором для прочностно-критических (а не весово-критических) компонентов в секторе. Несмотря на большую прочность нержавеющей стали, алюминий демонстрирует значительно превосходное соотношение прочность/вес, но более низкую устойчивость под циклической нагрузкой.

5. Углеродопластики (CFRP)

Углеродопластики (CFRP) быстро принимаются как хорошие варианты материалов во многих применениях, требующих низкий вес и высокую прочность. CFRP сочетаёт низкий вес полимеров с прочностью металлов. Они играют всё более ключевую роль в авиакосмической отрасли, повышая топливную эффективность, снижая выбросы и улучшая общую производительность/подъёмную способность самолётов и космических аппаратов и улучшая ударную устойчивость. CFRP могут снизить вес самолёта до 20%. 3D-печать сэндвич-структур с различными формами ядра, используя непрерывные углеродные волокна, может применяться к ряду структурных элементов в авиакосмике, как и в других высокозначимых секторах. Современные самолёты обычно используют сэндвич-структуры из CFRP для своих рулей высоты, рулей направления и рулей управления как рулевых поверхностей.

6. Высокопроизводительные полимеры

Высокопроизводительные полимеры, такие как PEI (ULTEM), PEEK, PEKK и PPSU, демонстрируют замечательные механические свойства и высокую термостойкость по сравнению со многими стандартными полимерами, обычно используемыми в инженерных применениях. Полимеры вроде нейлона, ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) или полиэтилена значительно более хрупки под нагрузкой и теплом. Комбинирование дисконтинуальных углеродных волокон с высокопроизводительным полимером PEKK даёт композитный материал с значительно улучшенными свойствами.

7. Керамические композиты

Керамические композиты всё чаще становятся доступными для аддитивных производственных процессов, но их внедрение медленное из-за ограниченной базы знаний за пределами специализированных областей. Их преимущества значительны — великая вязкость, твёрдость и исключительная стойкость к повышенным температурам, делая их идеальными для экстремально требовательных авиакосмических применений. Керамические детали, напечатанные аддитивным производством, имеют большой потенциал для авиакосмического сектора, предлагая лёгкий вес, высокую прочность и великую экологическую устойчивость, но необходимые ограничительные сертификации безопасности отнимают много времени и пока не достигнуты. Хотя техники вроде IJP и 3DP производят пористые материалы, существует мало подходящих поверхностных обработок и герметиков. Узнайте больше в нашем руководстве «Что такое керамика».

8. Инвар®

Инвар — необычный никель-железный сплав, славящийся своим экстремально низким коэффициентом термического расширения. Это делает его идеальным для применений, требующих размерной стабильности при высоковариабельных температурных условиях, которое свойство переносится в аддитивное производство. Это уникальное свойство делает его бесценным в различных отраслях, включая авиакосмическую инженерию. Инновационное использование Инвара в 3D-печати — пионерский подход, который всё ещё на экспериментальных стадиях, с обещанием предложения расширенных возможностей в терминах размерного контроля и стабильности.

9. Тантал

В авиакосмическом секторе тантал используется в критически важных деталях, подверженных как высокотемпературным, так и высоконапряжённым операциям. Горячая коррозионная стойкость тантала особенно преимущественна в авиакосмических применениях, где воздействие выхлопных газов, горячей влаги и быстро меняющихся температур обычно в газовых турбинах. Тантал, вместе с другими рефрактерными металлами, экстремально труден для обработки традиционными средствами, но аддитивное производство устраняет эти вызовы. Конкретные применения включают: лопатки турбин, сегменты сопел для спутниковых двигателей и компоненты для гиперзвукового полёта.

10. Кобальт-хромовые сплавы

Кобальт-хромовые сплавы используются за их хорошее сочетание свойств — высокая прочность, износостойкость и биосовместимость. Они всё чаще находятся в авиакосмических применениях, особенно в компонентах газотурбинных двигателей, из-за их способности выдерживать высокие температуры и быстро меняющиеся механические напряжения. Кобальт-хромовые сплавы служат в авиакосмических контекстах для компонентов двигателей, авиационных структурных деталей, компонентов ракетных двигателей и тепловых экранов. Для дополнительной информации см. наше руководство по суперсплавам.

Должны ли 3D-напечатанные авиационные структурные компоненты соответствовать каким-либо регуляторным стандартам?

Да. Перед эксплуатацией в самолётах 3D-напечатанные авиационные структурные компоненты должны быть одобрены FAA или EASA после строгого тестирования. Сектор неизбежно ставит высокий приоритет на надёжность и безопасность для сохранения жизни (и оборудования), поэтому эти компоненты должны проходить через строгие процедуры тестирования и валидации. Регуляторные органы вроде Федерального управления авиации (FAA) и Европейского агентства по безопасности авиации (EASA) имеют жёсткие контролы. Эти стандарты гарантируют безопасную и надёжную эксплуатацию самолётов.

Каково будущее 3D-печати структурных компонентов в авиакосмике?

Использование аддитивного производства в авиакосмической отрасли находится на пути роста. Авиакосмические производители постепенно переключают некоторые несущие и горячие зоны компонентов с традиционного литья на 3D-печать, несмотря на текущие ценовые последствия в этом зарождающемся, высокозатратном снабжении. Рост проникновения и спрос на технологии аддитивного производства продолжают развиваться в секторе. Ожидается, что использование 3D-печати в авиакосмике будет увеличиваться в следующем периоде в результате разработок в технологии печати, улучшающих производительность и снижающих цены. Для дополнительной информации см. наше руководство «Как работает 3D-принтер».

Как 3D-печать авиационных структурных деталей отличается от традиционного производства?

Процесс и материалы, используемые в 3D-печати структурных компонентов для авиакосмики, далеки от тех, что используются в традиционном производстве. 3D-печать использует аддитивные техники для построения деталей слой за слоем из цифровой модели, в отличие от вычитающих процессов вроде механической обработки или однокомпонентных процессов вроде литья. Сложные геометрии, сильно снижённые отходы и гибкие циклы разработки/тестирования в дизайне становятся возможными благодаря этому. Множество материалов имеют потенциал быть 3D-напечатанными как альтернатива механической обработке, формовке или литью.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с 20+ летним опытом письма. Кэт имеет опыт написания для различных производственных и технических организаций и любит мир инженерии. Помимо письма, Кэт была паралигалом почти 10 лет, семь из которых в судостроительном финансировании. Она писала для многих публикаций, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет BA в английской литературе и философии, и MA в креативном письме от Кингстонского университета.

Читать другие статьи Кэт де Наум