Революция в аэрокосмической отрасли:передовые материалы, процессы и классификации для 3D-печати

3D-печать, также известная как аддитивное производство, высоко ценится в аэрокосмической промышленности. В отрасли, где снижение веса или сопротивления может привести к огромной экономии средств, 3D-печать позволила производителям аэрокосмической отрасли создавать более легкие и экономичные самолеты более экономичным способом. Аэрокосмическая промышленность была одной из первых отраслей, широко применивших 3D-печать при производстве ключевых компонентов, и этот процесс изменил границы проектирования и производства. Инженеры аэрокосмической отрасли сыграли важную роль в разработке некоторых процессов 3D-печати, и отрасль продолжает пожинать плоды сегодня, поскольку 3D-печать становится все более зрелым производственным процессом.

От приспособлений и прототипов инструментов до деталей конечного использования, таких как сопла и даже корпуса ракет, 3D-печать в аэрокосмической отрасли может использоваться как для облегчения производственного процесса, так и для решения конкретных задач в самолете. В этой статье мы обсудим 3D-печать в аэрокосмической отрасли, используемые материалы и процессы, а также ее различные применения.

Что такое 3D-печать?

3D-печать, также известная как аддитивное производство, представляет собой производственный процесс, в ходе которого детали создаются слой за слоем, пока не будет завершена вся трехмерная деталь. Это противоположность субтрактивным производственным процессам, таким как обработка с ЧПУ (числовым программным управлением), когда материал удаляется из заготовки для создания деталей. 3D-печать можно использовать для изготовления безделушек, простых инструментов и современных компонентов, используемых в ряде отраслей, таких как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская, машиностроительная и других. Хотя технология 3D-печати существует с 1980-х годов, ее использование резко возросло с начала 21 века, поскольку аддитивное производство стало разумной альтернативой производству деталей, для изготовления которых требуется несколько процессов.

Когда аэрокосмическая промышленность начала использовать 3D-печать?

Аэрокосмическая промышленность была одной из первых отраслей, внедривших 3D-печать в 1990-х годах. С момента появления технологии 3D-печати в 1980-х годах аэрокосмическая промышленность внесла один из крупнейших вкладов в развитие процессов и технологий 3D-печати. Сегодня эта отрасль остается одним из крупнейших бенефициаров этого процесса и составляет почти 15–20 % от общего дохода, генерируемого индустрией аддитивного производства (в зависимости от источника и колебаний рынка).

Как 3D-печать появилась в аэрокосмической отрасли?

Зарождение 3D-печати в аэрокосмической отрасли относится к концу 1980-х годов. В то время крупнейшими благотворителями 3D-печати были военные и оборонная промышленность США. В этих отраслях пластик широко использовался как более дешевая альтернатива металлам для проведения испытаний и моделирования различных систем и компонентов самолетов.

3D-печать в основном использовалась для прототипирования и испытаний в аэрокосмической промышленности до середины 2000-х годов, когда стало возможным 3D-печать огнестойких пластиков с помощью таких процессов, как селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование наплавлением (FDM). По мере развития 3D-печати в течение первых двух десятилетий 21 века ее использование в аэрокосмической отрасли расширялось. Теперь он используется на протяжении всего жизненного цикла компонентов аэрокосмической отрасли, включая создание прототипов и проверку конструкций, инструментов, приспособлений для технического обслуживания самолетов, деталей конечного использования в реактивных двигателях и интерьеров самолетов.

Какие материалы используются в 3D-печати для аэрокосмической отрасли?

В аэрокосмической промышленности используется ряд различных материалов. Общие используемые материалы перечислены и описаны ниже:

1. Керамика

Керамика – это неорганический, неметаллический материал. Они отлично подходят для применения в аэрокосмической отрасли благодаря своей устойчивости к коррозии, легкому весу, устойчивости к высоким температурам и износостойкости. Однако керамика исключительно твердая и хрупкая, что затрудняет изготовление деталей. Каолин и фарфоровая глина — два примера керамики, которую можно напечатать на 3D-принтере для изготовления деталей. Керамическую 3D-печать можно использовать для изготовления компонентов спутниковых зеркал из карбида кремния с целью снижения веса и улучшения соотношения жесткости и прочности.

2. Углеродное волокно

Углеродные волокна представляют собой длинные, исключительно тонкие, но прочные нити атомов углерода. Композиты из углеродного волокна идеально подходят для аэрокосмической промышленности, поскольку они такие же прочные, как сталь, но легче алюминия. Это позволяет производителям улучшать характеристики самолетов за счет интеграции деталей из углеродного волокна, напечатанных на 3D-принтере, в каркасы и конструкции самолетов. Однако углеродное волокно дорого и его сложно производить, что ограничивает его потенциальное применение в аэрокосмической промышленности.

3. Металл

Металлы — это природные или легированные материалы, которые являются отличными проводниками тепла и электричества по сравнению с другими материалами. Обычные аэрокосмические металлы, такие как алюминий, титан и суперсплавы на основе никеля, широко используются из-за их коррозионной стойкости и высокого соотношения прочности к весу. Металлы, напечатанные на 3D-принтере, используются в компонентах двигателей, рамах, конструкциях и электронном оборудовании. Основным недостатком металлов является то, что они относительно плотные, и чрезмерное использование металла в самолете может отрицательно повлиять на его характеристики и топливную экономичность.

4. Полимеры

Полимеры – это материалы, состоящие из повторяющихся цепочек молекул. Общие примеры полимеров в аэрокосмической отрасли включают синтетические термопласты, такие как нейлон, PEEK и ULTEM 9085 (разновидность полиэфиримида). Эти материалы можно использовать для 3D-печати внутренних компонентов, таких как спинки сидений, стеновые панели и воздуховоды. Как правило, полимеры отлично подходят для применения в аэрокосмической отрасли, поскольку они легкие и прочные. Однако полимеры слабы по сравнению с металлами и не могут использоваться в приложениях, выдерживающих высокие нагрузки, где часто предпочтительнее металл. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Что такое полимеры».

5. Инконель®

Inconel® — это суперсплав на основе никеля и хрома, ценимый за свою прочность при высоких температурах, а также превосходную стойкость к ползучести и коррозии. В аэрокосмической 3D-печати Inconel® часто используется в реактивных турбинных двигателях для изготовления топливных форсунок. Основным недостатком инконеля является то, что это дорогой материал. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Что такое металл Inconel».

6. Композиты

Композиционные материалы состоят из двух или более составляющих материалов, свойства которых дополняют друг друга. Композиционные материалы обладают такими структурными преимуществами, как высокая прочность и малый вес, а также повышенная износостойкость. Композитные материалы для 3D-печати в самолетах позволяют сделать самолеты более легкими и структурно устойчивыми, поскольку желаемые свойства различных материалов сочетаются друг с другом. Недостатком композитных материалов, напечатанных на 3D-принтере, является то, что они могут быть дорогими.

Иллюстрация напечатанного на 3D-принтере компонента аэрокосмической конструкции.

Каковы этапы процесса 3D-печати в аэрокосмической отрасли?

3D-печать может помочь проверить конструкцию и функционирование детали и может использоваться для малых и средних объемов производства. Ниже перечислены и описаны части процесса 3D-печати, используемые в аэрокосмической промышленности:

1. Дизайн

Аэрокосмические проекты обычно начинаются с концептуальных моделей, демонстрирующих конкретный компонент самолета. Модели создаются в программном обеспечении САПР, а затем экспортируются в формат файла, удобный для 3D-принтера, например .stl.

2. Подготовка

Прежде чем дизайн можно будет изготовить на 3D-принтере, необходимо выполнить определенные подготовительные работы, чтобы обеспечить оптимальное качество печати. Методы подготовки будут различаться в зависимости от геометрии детали, типа 3D-печати и используемого принтера. Модели деталей должны быть настроены и ориентированы в принтерах таким образом, чтобы обеспечить оптимальное качество. Кроме того, некоторые принтеры, такие как принтеры FDM (моделирование наплавлением) и SLS (селективное лазерное спекание), требуют нагрева печатной платформы или рабочей платформы перед использованием. 

3. Печать

После того, как 3D-модели настроены по желанию и системы 3D-печати должным образом подготовлены в соответствии с типом используемой 3D-печати и печатной машины, можно изготавливать детали. Время печати варьируется от нескольких минут до нескольких дней, в зависимости от размера детали и типа используемой печати.

4. Постобработка

Когда 3D-печать завершена, детали можно вынимать из сборочного лотка. Большинство деталей, напечатанных на 3D-принтере, требуют некоторой постобработки. Однако детали, напечатанные одним методом, могут потребовать большей постобработки, чем детали, изготовленные другим методом. Например, детали, напечатанные методом FDM, часто требуют удаления только поддерживающего материала, тогда как детали, напечатанные методом DED (прямое осаждение энергии), требуют дополнительных процессов обработки для получения желаемых размеров.

5. Тестирование

После завершения постобработки 3D-печатная деталь тестируется и оценивается. Если необходимы изменения в конструкции, 3D-печать позволяет дизайнерам быстро создавать и тестировать новые конструкции. Когда предполагаемая функция 3D-печатной детали удовлетворена, ее можно напечатать на 3D-принтере для мелко- и среднесерийного производства или изготовить более традиционными методами.

6. Сертификация деталей

Сертификация деталей — жизненно важный шаг в аэрокосмической отрасли, обеспечивающий соответствие компонентов, напечатанных на 3D-принтере, строгим требованиям безопасности, производительности и нормативным требованиям. Процессы сертификации могут включать испытания материалов, механические испытания и соблюдение аэрокосмических стандартов, например, стандартов Федерального авиационного управления (FAA) или Агентства авиационной безопасности Европейского Союза (EASA). Детали, возможно, должны пройти обширные процедуры проверки, чтобы доказать их надежность, долговечность и производительность в реальных аэрокосмических условиях. 

После сертификации деталь может быть одобрена для использования в серийных самолетах и аэрокосмической отрасли, обеспечивая соответствие отраслевым нормам и стандартам безопасности.

Какие типы 3D-печати используются в аэрокосмической промышленности?

Существует несколько различных типов 3D-печати, которые можно использовать в аэрокосмической промышленности. Они перечислены ниже:

1. Моделирование плавленым осаждением (FDM)

Моделирование методом наплавления (FDM) — это тип 3D-печати, в котором используется экструдированная термопластичная нить для изготовления деталей слой за слоем. Расплавленный пластик выдавливается из сопла на модельный лоток. Когда первый слой остывает, наносят следующий слой. Этот процесс повторяется слой за слоем, пока вся деталь не будет завершена. Печать FDM в аэрокосмической отрасли изначально использовалась для прототипирования и проверки конструкции, но в последнее время ее стали использовать для производства функциональных деталей самолетов.

2. Стереолитография (SLA)

Стереолитография (SLA) — это процесс 3D-печати, в котором используется точно нанесенная светочувствительная полимерная смола, отверждаемая ультрафиолетовым светом, для изготовления деталей слой за слоем. SLA предлагает очень высокое разрешение и часто используется для создания моделей для испытаний в аэродинамической трубе. 

3. Селективное лазерное спекание (SLS)

Селективное лазерное спекание (SLS) — это процесс 3D-печати, при котором термопластические порошки точно спекаются и сплавляются для формирования деталей слой за слоем. Когда слой готов, наносится больше порошка, модельный лоток опускается, и процесс повторяется. SLS отлично подходит для изготовления деталей сложной геометрии с высоким разрешением. 3D-печать SLS в аэрокосмической отрасли обычно используется для мелкосерийного производства гибких компонентов воздушного потока, таких как воздуховоды, и термостойких деталей, таких как лицевые панели сопел.

4. Электронно-лучевая плавка (ЭЛП)

Электронно-лучевая плавка (EBM) — это процесс 3D-печати, в котором используется электропроводящий металлический порошок и электронные лучи для изготовления деталей слой за слоем. Процесс печати должен происходить в вакууме, чтобы молекулы газа не мешали энергии, излучаемой электронным лучом. Электронный луч нагревает металлический порошок до чрезвычайно высоких температур, расплавляя и сплавляя его вместе, образуя детали. EBM можно использовать для изготовления металлических деталей, например компонентов двигателя.

5. Прямое вложение энергии (DED)

Направленное энергетическое осаждение (DED) — это процесс 3D-печати, в котором используется источник энергии, такой как электронный луч, лазер или плазменная дуга, для плавления порошка или нити при их осаждении из сопла. Этот процесс аналогичен EBM, но не требует создания вакуума. DED-печать обычно используется для изготовления металлических деталей в реактивных турбинных двигателях и может использоваться для ремонта металлических деталей, которые изготавливались традиционным способом.

Какие типы машин для 3D-печати используются в аэрокосмической промышленности?

Ниже описаны различные типы машин для 3D-печати, используемые в аэрокосмической промышленности:

1. Машины для сварки в порошковом слое (PBF)

Машины для сварки в порошковом слое (PBF) — это машины для 3D-печати, которые наносят порошки и соединяют их вместе с помощью таких процессов, как SLS или EBM. Преимущества машин PBF включают возможность переработки неиспользованного порошка для будущих процессов печати, широкий выбор пластиковых и металлических материалов на выбор, а также минимальную поддержку, необходимую для производства деталей. К недостаткам машин PBF относятся высокие требования к мощности для печати деталей, детали, подверженные термической деформации, а также длительное время печати.

2. Машины для моделирования наплавленным напылением (FDM)

Машины FDM — это машины для 3D-печати, которые создают детали путем экструзии пластиковых нитей слой за слоем. Машины FDM имеют ряд преимуществ, включая низкую стоимость, небольшие размеры и широкий выбор материалов, доступных для печати. Однако машины FDM также имеют недостатки. Детали, напечатанные методом FDM, склонны к деформации и непрочны в направлениях, перпендикулярных слоям печати. Кроме того, машины FDM склонны к засорению сопел и часто требуют калибровки станины.

3. Машины для стереолитографии (SLA)

Машины SLA — это машины для 3D-печати, которые производят детали путем отверждения светочувствительных полимеров с помощью ЖК-экрана с УФ-излучением или лазера. Преимущества машин SLA включают в себя возможность печатать высокоточные и точные детали, возможность сохранять неиспользованную смолу для будущих заданий печати, а также возможность печатать сложные и замысловатые узоры. Однако к недостаткам машин SLA относятся высокие первоначальные затраты и затраты на техническое обслуживание, а смолы неэкологичны.

4. Машины прямого осаждения энергии (DED)

Машины прямого энергетического осаждения (DED) — это 3D-принтеры, которые производят детали с использованием сфокусированного источника тепла, такого как лазер, плазменная дуга или электронный луч, который плавит порошок или нить. Основные преимущества принтера DED заключаются в том, что он позволяет контролировать структуру зерна напечатанных деталей и позволяет изготавливать большие детали с использованием небольшого количества инструментов. К недостаткам станков DED относятся детали, изготовленные с низкой точностью, и необходимость последующей обработки для получения желаемых размеров. Кроме того, машины DED дороги и могут стоить более 500 000 долларов США, что может стать препятствием для многих организаций.

5. 3D-печать с непрерывным волокном

Хотя FDM позволяет печатать композитные полимеры, в них, как правило, используются рубленые волокна, что снижает присущую им прочность, присущую более длинным углеродным волокнам. В системах 3D-печати с непрерывным волокном (таких как Markforged) непрерывная длина углеродного волокна наносится на печатную платформу, что позволяет конечной детали сохранять прочность объемного углеродного волокна. Нить из углеродного волокна часто покрыта термопластом, который нагревается при прохождении через сопло, что позволяет нити из углеродного волокна прикрепиться к предыдущему слою.

Какие области применения 3D-печатные детали используются в авиационной промышленности?

Ниже перечислены некоторые примеры деталей, которые можно изготовить с помощью 3D-печати для авиационной промышленности:

1. Компоненты двигателя

Материалы, используемые для деталей двигателя, должны выдерживать высокие механические и термические нагрузки. Такие детали, как топливные форсунки, могут быть изготовлены с помощью таких процессов 3D-печати, как EBM (электронно-лучевое плавление) и DED (прямое энергетическое воздействие). Производство насадок с использованием этих процессов не только более эффективно, но и сами насадки легче, чем те, которые изготавливаются традиционными методами производства. Это дает значительные положительные преимущества, связанные с летно-техническими характеристиками самолета и воздействием на окружающую среду.

2. Структурные компоненты

Структурные компоненты — это внутренние и внешние компоненты, которые помогают формировать и поддерживать жесткий корпус самолета. Структурные компоненты, такие как кронштейны и поперечные рычаги, могут быть изготовлены с помощью процессов 3D-печати, таких как EBM и DED, с использованием титана, титановых сплавов, меди и никелевых сплавов.

3. Обслуживание и ремонт

На самолетах регулярно проводятся техническое обслуживание и ремонт, чтобы обеспечить их безопасное использование и длительный срок службы. Методы 3D-печати, такие как EBM и DED, можно использовать для изготовления приспособлений, приспособлений и инструментов, необходимых для проведения технического обслуживания и ремонта самолетов, из титана, нержавеющей стали, меди и других металлов.

4. Компоненты интерьера

Внутренние компоненты самолета включают в себя все:от оборудования авионики до аксессуаров для кабины, таких как дверные защелки и осветительные приборы. FDM (моделирование наплавлением) и SLS (селективное лазерное спекание) — два популярных метода 3D-печати, обычно используемые для изготовления пластиковых внутренних компонентов самолетов.

5. Прототипирование и инструменты

Прототипирование и создание инструментов относятся к процессам, связанным с проектированием и тестированием новых концепций дизайна, а также разработкой соответствующих инструментов. 3D-печать отлично подходит для создания прототипов и инструментов для аэрокосмической промышленности, поскольку позволяет изготавливать сложные детали по требованию с минимальными затратами на настройку. Это позволяет быстро разрабатывать и тестировать новые продукты.

Что такое аэрокосмические детали, напечатанные на 3D-принтере?

Ниже приведены механические детали для аэрокосмической отрасли, которые можно изготовить с помощью 3D-печати:

1. Топливные форсунки
2. Лопасти турбины
3. Жилья
4. Аэродинамические крылья
5. Дверные защелки
6. Работа с воздуховодами
7. Спинка сиденья
8. Панели
9. Обрезать детали.
10. Компоненты двигателя
11. Корпуса ракет
12. Топливные баки
13. Детали космического корабля

Каковы преимущества технологии 3D-печати в авиационной промышленности?

Есть несколько преимуществ применения 3D-печати в авиационной промышленности. Они описаны ниже:

1. Уменьшенный вес:3D-печать можно использовать для замены металлических деталей более легкими пластиковыми деталями. Компоненты, изготовленные с помощью 3D-печати, позволят снизить общий вес самолета, что, как следствие, снизит расход топлива и улучшит летно-технические характеристики самолета.
2. Экономичность:детали, напечатанные на 3D-принтере, можно изготовить за гораздо меньшее количество технологических этапов, чем детали, изготовленные традиционными производственными процессами. Это помогает снизить общие производственные затраты и отходы.

Каковы недостатки технологии 3D-печати в авиационной промышленности?

Есть также несколько недостатков 3D-печати в авиационной промышленности. Некоторые недостатки описаны ниже:

1. Доступные материалы ограничены. Хотя многие широко используемые пластики и металлы совместимы с 3D-печатью, тысячи сплавов и соединений по-прежнему несовместимы. Этот факт ограничивает потенциальное применение 3D-печати в аэрокосмической отрасли.
2. Слабая структура детали. Некоторые методы 3D-печати, такие как FDM (моделирование наплавлением) и SLS (селективное лазерное спекание), позволяют получить детали с анизотропными свойствами (характеристиками, которые различаются в зависимости от направления приложенной нагрузки). Это может быть нежелательно для некоторых несущих деталей и ограничивает потенциал различных приложений 3D-печати в аэрокосмической промышленности.

   3. Отнимающий много времени процесс сертификации. Аэрокосмическая отрасль – это отрасль, ориентированная на безопасность, и новые материалы и процессы должны пройти сертификацию и квалификацию, прежде чем их можно будет использовать на самолетах. Это может занять много времени и средств.

Кто использует 3D-печать в авиационной промышленности?

3D-печать используется научно-исследовательскими фирмами, производителями самолетов и компаниями по техническому обслуживанию. 3D-печать можно использовать для быстрого прототипирования деталей аэрокосмической отрасли, а также мелко- и среднесерийного производства конечных аэрокосмических компонентов, приспособлений, приспособлений и инструментов для обслуживания самолетов.

Какие применения технологии 3D-печати в авиационном секторе могут появиться в будущем?

3D-печать — это процесс, который продолжает оказывать положительное влияние на аэрокосмическую отрасль. Он призван снизить негативное воздействие аэрокосмической промышленности на окружающую среду, поддержать инновации в отрасли и улучшить как характеристики самолетов, так и эффективность производства на долгие годы вперед. Крылья, напечатанные на 3D-принтере, и «зеленая» авиация — это лишь два примера будущего применения 3D-печати в аэрокосмической отрасли.

Чем может помочь Xometry

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая обработку на станках с ЧПУ, 3D-печать, литье под давлением, лазерную резку и изготовление листового металла. Получите мгновенную расценку сегодня.

Уведомления об авторских правах и товарных знаках

1. Inconel® является зарегистрированной торговой маркой Special Metals Corporation.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Объяснение модуля сдвига:определение, типичные значения и практические примеры Solid Edge против SolidWorks:комплексное состязание САПР