Как 3D-печать революционизирует аэрокосмику и оборону

Они могут еще не быть критически важным для полета оборудованием, но 3D-печатные детали для коммерческих и военных самолетов и космических аппаратов делают легче снижение веса и материальных затрат. Перевод: есть ROI здесь для очень конкретных случаев использования — и функциональный выигрыш от экономии, направленной на хорошее дело.

Аддитивное производство имеет светлое будущее. Но насколько светлым оно будет для аэрокосмической и оборонной отрасли? Мы исследуем, как 3D-печатные детали влияют сегодня — и смотрим на некоторые ограничения.

Мы поговорили с инженерными экспертами в 3D Systems и 3DDirections, чтобы узнать, куда направляется аддитивное производство и 3D-печать в аэрокосмике и обороне. Но сначала давайте посмотрим на эволюцию отрасли в этой яркой вертикали.

История 3D-печати и аддитивных деталей для аэрокосмики и обороны

Аэрокосмическая и оборонная отрасль, особенно военные США, были ранними принятелями 3D-печатных деталей, но в основном для тестирования и симуляции, потому что пожарные и токсикологические рейтинги пластиков не соответствовали металлам для полета — как в космосе, так и над облаками.

Эти тестовые детали в основном использовались в дронах и спутниках, объясняет Брайан Ньюбрайт, инженер по применению в 3D Systems. С 2008 по 2013 год аддитивные пластики вроде Bluestone использовались в тестировании для таких вещей, как аэродинамические трубы и в деталях воздуховодов, но керамические смолы также использовались для симуляций.

Эти случаи использования были хороши для имитации потока ветра. Эти детали никогда не использовались с людьми. До этой эры, в середине 1990-х, некоторые 3D-детали использовались для быстрых отливок.

Вещи начали меняться около 2007–2013 годов.

«Самое большое изменение в аэрокосмическом секторе было фактически разработкой горениестойкого селективного лазерного спекания», — говорит Ньюбрайт. «Это одна из немногих вещей, которые вы начали находить в использовании в коммерческой авиации... По сути, это взяло нейлон 12 или нейлон 11 и добавило горениестоители, чтобы оно проходило огневой тест».

Это было значимо, потому что это означало, что материал мог удерживать некоторое тепло без возгорания — и мог погасить себя быстро без выделения токсичных паров.

Сначала это использовалось в спутниках. Главная причина? Возврат инвестиций.

«Стоит $40 000–$50 000 за килограмм вывести спутник на геостационарную орбиту», — говорит Ньюбрайт. «Так что если вы можете спроектировать конструктивную кронштейн или внутренний элемент спутника и сбрить несколько килограмм, ну, тогда фактическая добавленная стоимость необходимости строить его из аддитива более чем окупается».

Ключевой момент в истории 3D-печати в аэрокосмике: топливный форсунка двигателя LEAP от GE

Одна из самых известных аддитивных деталей, сделанных для коммерческой авиации, — 3D-печатная топливная форсунка от GE для двигателя LEAP. Это сияющий пример того, как усилия исследований и разработок приходят к плодам — и привлекают много внимания за инновации.

«То, как GE преуспели в этом проекте, было тем, что им просто пришлось использовать грубую силу, чтобы заставить это случиться, что означало, что они построили тысячи и тысячи этих форсунок, чтобы иметь возможность квалифицировать их как жизнеспособные детали, которые могут быть напечатаны», — объясняет Крис Барретт, президент и основатель 3DDirections, консультанта по аддитивному производству и эксперта по механической инженерии.

Барретт работает в Universal Technology Corporation как научный сотрудник и является кандидатом PhD в Университете Янгстауна в Огайо.

«То, как они должны были сделать это раньше — это в основном тонны слоев фольги разных типов, сжатых вместе», — говорит Барретт. «И это был единственный способ получить сложность, которую оно нуждалось. Для 3D-версии использовался тот же слоистый подход, но представьте, делая это вручную».

Согласно GE, 3D-печатные форсунки «в пять раз более долговечны, чем предыдущая модель» и аддитивный подход «позволил инженерам использовать более простой дизайн, сократив количество пайок и сварок с 25 до всего пяти».

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

И Барретт, и Ньюбрайт указывают, что большинство 3D-печатных деталей для аэрокосмики и обороны сегодня не являются критическими для полета. Несмотря на прогулку GE с топливными форсунками, высокообъемное производство — проблема.

«Со временем я уверен, что аддитивные технологии и подходы догонится», — говорит Ньюбрайт. «Но с точки зрения затрат, вы действительно не видите тонны этого прямо сейчас в производстве. Крупные коммерческие самолеты стали очень эффективными. Действительно, большинство случаев использования прямо сейчас сильно сосредоточены в военной сфере, дронах, беспилотных летательных аппаратах и спутниках, где вес действительно имеет значение».

Традиционные методы производства с передовыми и точными станками с ЧПУ продолжат доминировать в отрасли, потому что они остаются наиболее рентабельными.

«Обычно это в 10–100 раз стоимость традиционного», — говорит Барретт. «Так что это должно показать улучшение в 10–100 раз как деталь в конце дня».

Тем не менее, есть некоторые применения в использовании сегодня, и многие другие, которые оцениваются. Крупные коммерческие и оборонные OEM, включая Boeing, Airbus, Honeywell, GE и Lockheed Martin, сильно инвестируют в исследования аддитивного производства.

Барретт указывает на другой проект R&D от GE, который пытался напечатать большинство деталей двигателя самолета — передвижной турбопроп, или ATP — и успешно использовал титановые суперсплавы.

«GE взяли двигатель, который был сделан из 855 деталей, и свели его до примерно 12», — говорит Барретт. «Они смогли снизить вес двигателя на 100 фунтов и повысить топливную эффективность на 20 процентов».

Посмотрите все 3D-печатные компоненты двигателя ATP от GE. Источник: GE

Снижение веса также позволило 10-процентный прирост мощности над своим предшественником. Этот двигатель планируется к запуску в производство для самолета Cessna Denali от Textron Aviation.

У вас есть технический вопрос? Спросите команду MSC Metalworking Tech Team на форуме.

3D-печать для аэрокосмики и обороны: ТОиР и запасные части

Один из более интересных случаев использования 3D-печати — изготовление запасных частей для устаревших самолетов, таких как те, что на C-130 и B-52. Самолеты старые, но все еще используются для перевозки грузов и войск — и их детали становятся всё труднее и труднее заменить, объясняет Барретт.

Проблема? Самолеты могут быть заземлены на длительные периоды — иногда на несколько лет из-за отсутствия запасных частей. Некоторые из этих самолетов датируются 50 годами назад, и компании не делают для них детали больше — или они ушли из бизнеса. Компании, готовые делать запасные части, могут тратить годы на их завершение.

«Когда мы начали исследовать это, мы обнаружили, что некоторые из этих деталей, потому что они сидели в самолете и были избиты так многие десятилетия, растянулись и деформировались, как самолет растянулся и деформировался», — говорит Барретт. «Так что каждая деталь немного отличается, потому что 90-градусный поворот прямо сейчас больше не 90 градусов, может быть 85 градусов. Ну, я не могу сделать один отливочный форм, который учитывает все эти различия. Так что это делает идеальный случай для 3D-печати».

Компании вроде 3D Systems и других могут делать индивидуальные детали для каждого самолета, привозя 3D-сканеры на самолет, создавая цифровые файлы и печатая каждую деталь, адаптированную под форму и геометрию этой детали в её текущем состоянии.

Посмотрите ТОиР и запасные части, делаемые для устаревших военных самолетов. Источник: 3D Systems

Этот проект устаревших запасных частей включает ряд публичных и частных организаций через инициативу под названием Maduration of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment, или MAMLS, которая финансируется Лабораторией исследований ВВС.

Один производитель, который проник с самолетами C-130 — Metro Aerospace, компания, представленная на Better MRO на Международной выставке производственных технологий 2018 года. Metro Aerospace поставляла микровейн части военным. Микровейны сделаны из легкого, некорродируемого, долговечного полимерного композита, включающего стекло и нейлоновые шарики.

Прочитайте всё о вызовах и производственном успехе Metro Aerospace в статье "Как вывести 3D-печатную деталь на рынок в аэрокосмике".

Вас впечатлил 3D-печатный турбопроп двигатель? Поговорите со своими коллегами на форуме металлообработки. [требуется регистрация]