Удивительная эволюция 3D-печати в аэрокосмической и оборонной промышленности

Возможно, они еще не имеют решающего значения для полетов, но напечатанные на 3D-принтере детали для коммерческих и военных самолетов и космических кораблей облегчают снижение веса и стоимости материалов. Перевод:здесь есть окупаемость инвестиций для очень конкретных случаев использования и функциональная выгода от экономии, которая используется с пользой.

У аддитивного производства большое будущее. Но насколько ярким он будет для аэрокосмической и оборонной промышленности? Мы изучим, какое влияние оказывают детали, напечатанные на 3D-принтере, и рассмотрим некоторые ограничения.

Мы поговорили с инженерами-экспертами из 3D Systems и 3DDirections, чтобы узнать, куда движется аддитивное производство и 3D-печать в аэрокосмической и оборонной отраслях. Но сначала давайте посмотрим на эволюцию отрасли в этой динамичной вертикали.

История 3D-печати и аддитивных деталей для аэрокосмической и оборонной промышленности

Аэрокосмическая и оборонная промышленность, особенно вооруженные силы США, были одними из первых, кто внедрил детали, напечатанные на 3D-принтере, но в основном для испытаний и моделирования, потому что рейтинги огнестойкости и токсичности пластмасс не соответствовали показателям металлов для полетов — как в космосе, так и выше. облака.

«Эти испытательные детали в основном использовались в дронах и спутниках», — объясняет Брайан Ньюбрайт, инженер по применению в 3D Systems. В период с 2008 по 2013 году при испытаниях аэродинамических труб и деталей воздуховодов использовались аддитивные пластмассы, такие как Bluestone, но керамические смолы также использовались для моделирования.

Эти варианты использования были хороши для имитации потока ветра. Эти части никогда не использовались с людьми. До этой эпохи, в середине 1990-х, некоторые 3D-детали использовались для быстрого литья.

Ситуация начала меняться примерно с 2007 по 2013 год.

«Самым большим изменением в аэрокосмической отрасли стала разработка огнестойкого избирательного лазерного спекания», — говорит Ньюбрайт. «Это одна из немногих вещей, которые вы начали использовать в коммерческой авиации… В основном это нейлон 12 или нейлон 11 с добавлением антипиренов, чтобы пройти испытания на огнестойкость».

Это было важно, потому что это означало, что материал мог удерживать некоторое количество тепла, не воспламеняясь, и мог быстро погаснуть, не выделяя токсичных паров.

Впервые он был использован в спутниках. Главная причина? Возврат инвестиций.

«Помещение спутника на геостационарную орбиту стоит от 40 000 до 50 000 долларов за килограмм», — говорит Ньюбрайт. «Поэтому, если вы можете спроектировать структурный кронштейн или внутренний элемент спутника и сбросить несколько килограммов, то фактические дополнительные затраты на создание его из добавок более чем оправданы».

Ключевой момент в истории 3D-печати в аэрокосмической отрасли:топливная форсунка двигателя LEAP компании GE

Одной из наиболее примечательных деталей, изготовленных для коммерческой авиации, была напечатанная на 3D-принтере топливная форсунка GE для двигателя LEAP. Это яркий пример того, как усилия по исследованиям и разработкам приносят плоды и привлекают много внимания к инновациям.

«Дженерал Электрик добилась успеха в этом проекте, потому что им просто пришлось использовать грубую силу, чтобы это произошло, а это означало, что они построили тысячи и тысячи этих сопел, чтобы иметь возможность квалифицировать их как жизнеспособные детали, которые можно печатать. », — объясняет Крис Барретт, президент и основатель 3DDirections, консультант по аддитивному производству и эксперт в области машиностроения.

Барретт работает в Universal Technology Corporation научным сотрудником и имеет докторскую степень. кандидат в Государственный университет Янгстауна в Огайо.

«Прежде они должны были сделать это, по сути, сложив вместе тонны слоев фольги разных типов», — говорит Барретт. «И это был единственный способ получить необходимую сложность. Для 3D-версии использовался тот же многоуровневый подход, но изображение делалось вручную».

По данным GE, напечатанные на 3D-принтере сопла «в пять раз прочнее, чем предыдущая модель», а аддитивный подход «позволил инженерам использовать более простую конструкцию, которая уменьшила количество пайки и сварки с 25 до всего лишь пяти».

Общая тема 3D-печати и аддитивного производства:уменьшение количества деталей, шагов или веса

И Барретт, и Ньюбрайт отмечают, что большинство напечатанных на 3D-принтере деталей для аэрокосмической и оборонной промышленности сегодня не являются критичными для полета. Несмотря на набег GE на топливные форсунки, крупносерийное производство остается проблемой.

«Я уверен, что со временем аддитивные технологии и подходы наверстают упущенное, — говорит Ньюбрайт. «Но с точки зрения затрат, вы действительно не видите тонны этого прямо сейчас в производстве. Большие коммерческие самолеты стали очень эффективными. На самом деле, большинство вариантов использования в настоящее время в значительной степени сосредоточены на военных, дронах, беспилотных летательных аппаратах и ​​спутниках, где вес действительно имеет значение».

Традиционные методы производства с использованием передовых и точных станков с ЧПУ будут по-прежнему доминировать в отрасли, поскольку они остаются наиболее рентабельными.

«Обычно это в 10–100 раз дороже, чем традиционные», — говорит Барретт. «Поэтому в конце дня он должен показать улучшение от 10 до 100 раз».

Тем не менее, некоторые приложения используются сегодня, а многие другие находятся в стадии оценки. Крупные коммерческие и оборонные OEM-производители, включая Boeing, Airbus, Honeywell, GE и Lockheed Martin, вкладывают значительные средства в исследования в области аддитивного производства.

Барретт указывает на другой научно-исследовательский проект GE, в рамках которого была предпринята попытка напечатать большую часть деталей авиационного двигателя — усовершенствованного турбовинтового двигателя, или ATP, — и с использованием титановых суперсплавов удалось добиться успеха.

«GE взяла двигатель, состоявший из 855 деталей, и сократила его примерно до 12, — говорит Барретт. «Они смогли уменьшить вес двигателя на 100 фунтов и повысить эффективность использования топлива на 20 процентов».

Посмотрите все напечатанные на 3D-принтере компоненты двигателя GE ATP. Источник:General Electric

Снижение веса также позволило увеличить мощность на 10 процентов по сравнению с предшественником. Этот двигатель планируется запустить в производство для самолета Cessna Denali компании Textron Aviation.

<сильный>  Вам нужен ответ на технический вопрос? Задайте вопрос технической команде MSC Metalworking на форуме.

3D-печать для аэрокосмической и оборонной промышленности:техническое обслуживание и запасные части 

Одним из наиболее интересных вариантов использования 3D-печати является изготовление запасных частей для устаревших самолетов, например, для самолетов C-130 и B-52. Эти самолеты устарели, но все еще используются для перевозки грузов и войск, а их детали становится все труднее заменять, объясняет Барретт.

Проблема? Самолеты могут простаивать в течение длительного времени — иногда на несколько лет из-за отсутствия запасных частей. Некоторым из этих самолетов уже 50 лет, и компании больше не производят для них запчасти — или они прекратили свою деятельность. Компаниям, желающим производить запасные части, могут потребоваться годы, чтобы завершить их.

«Когда мы начали исследовать это, мы обнаружили, что некоторые из этих частей, поскольку они сидели в самолете и подвергались ударам в течение многих десятилетий, растягивались и деформировались, как растягивался и деформировался самолет», — говорит Барретт. «Поэтому каждая часть немного отличается, потому что поворот на 90 градусов сейчас больше не 90 градусов, это может быть 85 градусов. Ну, я не могу сделать одну литейную форму, учитывающую все эти различия. Так что это идеальный случай для 3D-печати».

Такие компании, как 3D Systems и другие, могут изготавливать нестандартные детали для каждой плоскости, перенося 3D-сканеры на плоскость, создавая цифровые файлы и печатая каждую деталь с учетом формы и геометрии этой детали в ее текущем состоянии.

Посмотрите, как производятся ремонтные работы и запасные части для устаревших военных самолетов. Источник:3D Systems

В этом устаревшем проекте по запасным частям участвует ряд государственных и частных организаций в рамках инициативы под названием «Созревание передового производства для недорогостоящего обеспечения» или MAMLS, которая финансируется Исследовательской лабораторией ВВС.

Одним из производителей, который добился успеха с самолетами C-130, является Metro Aerospace, компания, представленная в программе Better MRO на Международной выставке производственных технологий 2018 года. Metro Aerospace поставляет детали для микровэнов военным. Микролопасти изготовлены из легкого, устойчивого к коррозии и прочного полимерного композита, состоящего из стекла и нейлонового шарика.

Все о проблемах и успехах Metro Aerospace читайте в статье « Как вывести напечатанную на 3D-принтере деталь на рынок аэрокосмической отрасли ».

Вы впечатлены турбовинтовым двигателем, напечатанным на 3D-принтере? Поговорите со своими коллегами на форуме по металлообработке. [требуется регистрация]