Революция в аэрокосмической отрасли:структурные компоненты, напечатанные на 3D-принтере

Без сомнения, за последние несколько лет вы слышали много шумихи вокруг 3D-печати и аддитивного производства, что порождает ожидания (в средствах массовой информации), что «традиционных» фабрик скоро не будет. Разговоры о новых чудесных методах, о прямой печати пластиковых, резиновых и металлических деталей, а также о военной и орбитальной печати запасных частей возвещают новый рассвет.

Возможно.

Однако в одном секторе эффект вполне реален и немедленен, и, по крайней мере, некоторая шумиха не совсем неуместна!

Благодаря быстрому развитию технологий 3D-печати аэрокосмическая промышленность находится на старте революционного пути, особенно в области структурных компонентов меньшей точности и более простых функций. 3D-печать стала революционной технологией быстрого создания сложных деталей по индивидуальному заказу, если только вы не пытаетесь найти недорогие решения.

3D-печать можно использовать для изготовления исключительно легких и прочных компонентов, конструкция которых в противном случае сложна для производства, обеспечивая максимальную производительность и топливную экономичность при соблюдении самых строгих стандартов безопасности в отрасли. Чтобы понять весь потенциал этой революционной технологии, полезно изучить основные факты и передовые ожидания от 3D-печати, а также то, как они могут применяться к требованиям аэрокосмического производства.

В этой статье мы рассмотрим сложности 3D-печати и то, как она меняет будущее производства структурных компонентов в аэрокосмическом секторе, предоставив вам основу для расширения своих знаний с уверенной (и свободной от шумихи) отправной точки.

Какова цель 3D-печати компонентов аэрокосмической конструкции?

Основная цель 3D-печати конструкционных компонентов аэрокосмической отрасли — создавать детали таким образом, чтобы они были коммерчески жизнеспособными и строго соответствовали применимым стандартам безопасности и защиты окружающей среды, а также требованиям безопасности самолетов. Быстрое производство сложных, легких деталей и компонентов, изготовленных по индивидуальному заказу, которые позволяют ускорить циклы обслуживания/разработки и поддерживать эксплуатационные характеристики как самолетов, так и космических кораблей, помогает обеспечить надежный, безопасный и экономически эффективный полет. Сложные геометрические фигуры, которые сложно или невозможно изготовить традиционными методами, теперь можно быстро создавать с помощью 3D-печати. Аэрокосмическая отрасль начинает новый инновационный процесс благодаря 3D-печати.

Какие конструктивные элементы аэрокосмической отрасли можно напечатать на 3D-принтере?

Конструкционные компоненты аэрокосмической отрасли, пригодные для аддитивного производства, включают:

1. Топливные форсунки.
2. Лопасти турбины.
3. Беспилотные летательные аппараты.
4. Спутниковые кадры.
5. Приводы поверхности управления

Как работает 3D-печать компонентов аэрокосмической конструкции?

Структурные и функциональные компоненты аэрокосмической отрасли печатаются на 3D-принтере с использованием данных САПР (компьютерного проектирования), которые преобразуются в реальные объекты путем нанесения и сплавления материала слой за слоем для быстрого создания готовых деталей. В следующем списке этот процесс описан более подробно:

1. 3D-модель, созданная в САПР, служит основой процесса.
2. Чтобы создать компонент, программное обеспечение для настройки сборки 3D-принтера интерпретирует конструкцию в виде серии фрагментов и инструкций по параметрам сборки, которые могут быть прочитаны принтером.
3. 3D-принтер помещает материалы, такие как металлы или полимеры, в форме нитей, жидкости или порошка, на платформу сборки, сплавляя их между собой и со слоем ниже.
4. Высота увеличивается слой за слоем, пока компонент не будет готов.
5. Деталь удаляется, очищается и подвергается последующей обработке. Это может быть ручное или автоматическое и может включать в себя удаление несущей конструкции, пескоструйную очистку или вторичную отделку.
6. Там, где требуется более высокая точность (например, поверхности подшипников или диаметры отверстий), может потребоваться некоторая последующая обработка.

Помимо быстрого создания деталей сложной геометрии, сокращения отходов материала и производства легких компонентов с улучшенными характеристиками, 3D-печать предлагает инженерам больше свободы проектирования, чем другие методы изготовления.

Каковы преимущества 3D-печати в аэрокосмической отрасли?

Типичными преимуществами 3D-печати в аэрокосмической отрасли являются:

1. Аддитивное производство позволяет объединять узлы в отдельные компоненты, которые иначе невозможно изготовить. Уменьшение количества деталей также снижает риск попадания посторонних предметов или посторонних предметов.
2. Аддитивные технологии позволяют создавать сложные конструкции, которые в противном случае были бы невозможны, с использованием менее продвинутых методов. 3D-печать не обязательно должна соответствовать требованиям прямой видимости, как того требует механическая обработка.
3. Характер 3D-печати позволяет быстро вносить изменения в конструкцию, не требуя каких-либо изменений производственного оборудования, кроме моделей в 3D-слайсере.
4. Эти процессы позволяют дизайнерам и производителям быстро производить продукцию по требованию в любой точке мира, где есть оборудование, сокращая время выхода на рынок и затраты на цепочку поставок, а также снижая сложность инфраструктуры на местах.
5. Благодаря стратегическому и осторожному применению процессов аддитивного производства цепочка поставок становится более компактной, надежной и последовательной.

Каковы недостатки 3D-печати в аэрокосмической отрасли?

К недостаткам 3D-печати в аэрокосмической отрасли можно отнести:

1. В зависимости от используемой технологии и уровня точности, требуемой от детали при ее функционировании, некоторые из этих деталей требуют дополнительной постобработки. Этот этап включает в себя дополнительные задачи, начиная от точной механической обработки, полировки и нанесения покрытия до доработки компонентов, напечатанных на 3D-принтере, для конкретных нужд. Постобработка обычно требует деликатного и квалифицированного ручного труда и, следовательно, увеличивает время и затраты на производство. Это может соответствовать стоимости печатных деталей, умаляя несомненные преимущества оптимизированного производства.
2. Удивительный набор компонентов, которые могут быть получены с помощью 3D-печати, во многих случаях ограничен отсутствием точно выбираемых марок материалов. Специальные авиационные правила требуют использования специализированных и строго определенных материалов. Следовательно, сектор аэрокосмической техники ограничен количеством вариантов материалов, что ограничивает возможности технологии для создания более широкого спектра элементов летательных аппаратов на этом этапе инноваций/перехода.
3. Повышая эффективность производительности, производство, основанное на 3D-печати, может значительно снизить экономическую эффективность. Если стоимость компонента превышает плановые затраты, он не может служить. Однако как метод чрезвычайно быстрого создания сложных деталей, не чувствительных к затратам, он имеет место, которое становится все более значимым.

Каковы примеры применения 3D-печатных компонентов аэрокосмических конструкций?

В аэрокосмической промышленности изучаются различные варианты применения структурных компонентов, напечатанных на 3D-принтере, но их использование в полете пока ограничено. Кронштейны крыльев, компоненты приводов для самолетов, лопасти несущего винта дронов, топливные форсунки, камеры сгорания и даже части внутренней конструкции двигателя — вот лишь несколько примеров прицепных и хорошо принятых компонентов. Такое использование подчеркивает замечательную адаптируемость и потенциал этого метода производства с точки зрения его влияния на сектор. Очевидно, что 3D-печать находится на грани изменения производственных процессов отрасли с ее безграничными возможностями.

Какие материалы используются при 3D-печати компонентов аэрокосмической конструкции?

Некоторые материалы, используемые при 3D-печати компонентов аэрокосмической конструкции, включают:

1. Титановые сплавы

Титан — это материал с высокими эксплуатационными характеристиками, который идеально подходит для аэрокосмической отрасли, где его высокая стоимость не является непомерно высокой, а соотношение прочности к весу и исключительные коррозионные характеристики чрезвычайно полезны. Кроме того, производственные процессы, используемые для производства титановых деталей, ограничены, а производство является значительным. Аддитивное производство решает большинство этих производственных проблем и обеспечивает производство высокопроизводительных деталей, которые значительно снижают сопротивление цепочки поставок и логистические трудности. 

2. Алюминиевые сплавы

Алюминий ни в коем случае не является плохим вторым выбором после титана, поскольку он обеспечивает почти такое же соотношение прочности к весу и значительно более низкие затраты на сырье и (традиционную) обработку. Значительно более простая цепочка поставок материалов для аддитивного производства означает, что существует больше вариантов выбора, а затраты энергии на сборку ниже, что позволяет использовать оборудование с меньшей мощностью или ускорять операции сборки. Алюминий, как правило, обладает хорошими коррозионными свойствами для применения в аэрокосмической отрасли, и их можно значительно улучшить путем анодирования, образующего контролируемую и точную оксидную пленку на деталях, исключающую доступ кислорода, даже во влажном состоянии.

3. Никелевые сплавы

Никелевые сплавы обеспечивают экстремальные характеристики при высоких температурах, а также отличную коррозионную стойкость. Детали из никелевого сплава, напечатанные на 3D-принтере, вызвали большой интерес в аэрокосмическом секторе, особенно в плане экспериментального использования в лопатках турбин, реального применения в полете в камерах сгорания и деталях выхлопных газов газовых турбин, а также в компонентах ракетных двигателей, находящихся в горячей эксплуатации. Никелевые суперсплавы играют решающую роль в повышении общей эффективности и надежности критически важных систем.

4. Нержавеющая сталь

Нержавеющие стали нескольких марок широко используются в аддитивном производстве в различных неавиационно-космических секторах, придавая прочность и исключительную коррозионную стойкость инструментам, промышленному оборудованию и т. д. Детали, напечатанные на 3D-принтере из нержавеющей стали, могут стать прочными, долговечными структурными и функциональными компонентами для применения в аэрокосмической отрасли, подвергающейся высоким нагрузкам. Детали, обеспечивающие успешную работу воздушных и космических кораблей в шасси, включая стойки и опорные конструкции, изготовлены из этого семейства сплавов и должны выдерживать ошеломляющие нагрузки при приземлении. Особое сочетание устойчивости к коррозии, прочности и долговечности выделяет нержавеющую сталь и делает ее идеальным выбором для компонентов, критичных к прочности (а не к весу). Несмотря на большую прочность нержавеющей стали, алюминий демонстрирует значительно лучшее соотношение прочности к весу, но меньшую устойчивость при циклических нагрузках.

5. Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP)

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), быстро применяются в качестве хороших вариантов материалов во многих областях применения, где требуется малый вес и высокая прочность. Углепластик сочетает в себе малый вес полимеров с прочностью металлов. Они играют все более важную роль в аэрокосмической отрасли, повышая топливную эффективность, сокращая выбросы, повышая общие характеристики / грузоподъемность самолетов и космических аппаратов, а также повышая удароустойчивость. Углепластики могут снизить вес самолета до 20%. 3D-печать сэндвич-структур с различной формой сердцевины с использованием непрерывных углеродных волокон может применяться к ряду структурных элементов в аэрокосмической отрасли, как и в других дорогостоящих отраслях. В современных самолетах в качестве поверхностей управления полетом обычно используются сэндвич-конструкции из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) для рулей высоты, рулей направления и рулевых лопастей.

6. Высокоэффективные полимеры

Высокопроизводительные полимеры, такие как PEI (ULTEM), PEEK, PEKK и PPSU, обладают замечательными механическими свойствами и устойчивостью к высоким температурам по сравнению со многими стандартными полимерами, обычно используемыми в машиностроении. Полимеры, такие как нейлон, АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) или полиэтилен, значительно более хрупкие под нагрузкой и нагреванием. Сочетание прерывистых углеродных волокон с высокоэффективным полимером PEKK позволяет получить композитный материал со значительно улучшенными свойствами. 

7. Керамические композиты

Керамические композиты становятся все более доступными для процессов аддитивного производства, но их внедрение происходит медленно из-за ограниченной базы знаний за пределами специализированных областей. Их преимущества значительны:высокая прочность, твердость и исключительная устойчивость к повышенным температурам, что делает их идеальными для чрезвычайно требовательных аэрокосмических применений. Керамические детали, напечатанные с использованием аддитивного производства, имеют большой потенциал для аэрокосмического сектора, предлагая легкий вес, высокую прочность и высокую устойчивость к воздействию окружающей среды, но обязательно получение ограничительных сертификатов безопасности требует много времени и еще не достигнуто. Хотя такие методы, как IJP и 3DP, позволяют получить пористые материалы, существует мало подходящих обработок поверхности и герметиков. Чтобы узнать больше, прочтите наше руководство «Что такое керамика».

8. Инвар®

Инвар — необычный сплав никеля и железа, известный своим чрезвычайно низким коэффициентом теплового расширения. Это делает его идеальным для применений, требующих стабильности размеров в сильно меняющихся температурных условиях, и это свойство переносится и на аддитивное производство. Это уникальное свойство делает его неоценимым в различных отраслях промышленности, в том числе в авиакосмической технике. Инновационное использование инвара в 3D-печати — это новаторский подход, который все еще находится на экспериментальной стадии и обещает предложить расширенные возможности с точки зрения контроля размеров и стабильности.

9. Тантал

В аэрокосмической отрасли тантал используется в критически важных деталях, которые подвергаются как высоким температурам, так и нагрузкам. Устойчивость тантала к горячей коррозии особенно выгодна в аэрокосмической отрасли, где в газовых турбинах часто встречается воздействие выхлопных газов, горячей влаги и быстро меняющихся температур. Тантал, как и другие тугоплавкие металлы, чрезвычайно сложно обрабатывать традиционными способами, но аддитивное производство позволяет избежать этих проблем. Конкретные области применения включают:лопатки турбин, сегменты сопел для движения спутников и компоненты для гиперзвуковых полетов.

10. Сплавы кобальт-хром

Кобальт-хромовые сплавы используются благодаря хорошему сочетанию свойств — высокой прочности, износостойкости и биосовместимости. Они все чаще используются в аэрокосмической отрасли, особенно в компонентах газотурбинных двигателей, из-за их способности выдерживать высокие температуры и быстро меняющиеся механические нагрузки. Кобальт-хромовые сплавы используются в аэрокосмической отрасли для изготовления компонентов двигателей, деталей конструкции самолетов, компонентов ракетных двигателей и теплозащитных экранов. Дополнительную информацию можно найти в нашем руководстве по суперсплавам.

Должны ли напечатанные на 3D-принтере компоненты аэрокосмической конструкции соответствовать каким-либо нормативным стандартам?

Да. Перед эксплуатацией в самолетах напечатанные на 3D-принтере компоненты аэрокосмической конструкции должны быть одобрены FAA или EASA после тщательного тестирования. В отрасли обязательно уделяется первоочередное внимание надежности и безопасности для сохранения жизни (и оборудования), поэтому эти компоненты должны пройти строгие процедуры тестирования и проверки. Регулирующие органы, такие как Федеральное управление гражданской авиации (FAA) и Агентство авиационной безопасности Европейского Союза (EASA), осуществляют жесткий контроль. Эти стандарты гарантируют безопасную и надежную эксплуатацию самолетов.

Каково будущее 3D-печати структурных компонентов в аэрокосмической отрасли?

Использование аддитивного производства в аэрокосмической промышленности находится на пути роста. Производители аэрокосмической отрасли постепенно переходят с традиционного литья на 3D-печать некоторых несущих компонентов и компонентов с горячей зоной, несмотря на текущие ценовые последствия в этом новом и дорогостоящем поставках. В этом секторе продолжает расти проникновение и спрос на технологии аддитивного производства. Ожидается, что в следующем периоде использование 3D-печати в аэрокосмической отрасли увеличится в результате развития технологий печати, которые улучшают производительность и снижают цены. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Как работает 3D-принтер».

Чем 3D-печать деталей аэрокосмической конструкции отличается от традиционного производства?

Процесс и материалы, используемые при 3D-печати структурных компонентов для аэрокосмической отрасли, значительно отличаются от тех, которые используются в традиционном производстве. В 3D-печати используются аддитивные методы для создания деталей слой за слоем из цифровой модели, в отличие от субтрактивных процессов, таких как механическая обработка, или процессов изготовления цельных деталей, таких как литье. Благодаря этому становятся возможными сложная геометрия, значительное сокращение отходов и гибкие циклы разработки/тестирования при проектировании. Многие материалы могут быть напечатаны на 3D-принтере в качестве альтернативы механической обработке, формованию или литью.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с более чем 20-летним писательским опытом. Кэт имеет опыт написания статей для различных производственных и технических организаций и любит мир техники. Помимо писательской деятельности, Кэт почти 10 лет работала помощником юриста, семь из которых занималась финансированием судов. Она писала для многих изданий, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет степень бакалавра английской литературы и философии, а также степень магистра писательского мастерства в Кингстонском университете.

Прочтите другие статьи Кэт де Наум



Объяснение 3D-биопечати:определение, история, механизмы и ключевые типы 3D-печать и обработка на станке с ЧПУ:объяснение ключевых отличий