3D печать в аэрокосмической отрасли

3D печать, также известная как аддитивное производство, прошла долгий путь с момента своего первого появления в 1980-х годах. Хотя 3D печать изначально была инструментом для быстрого прототипирования, теперь она развилась и охватывает ряд различных технологий.  

Развитие 3D печати привело к быстрому росту числа компаний, внедряющих эту технологию. Приложения и варианты использования различаются в зависимости от отрасли, но в целом включают вспомогательные инструменты, визуальные и функциональные прототипы — и даже конечные детали.

По мере расширения потенциальных сфер применения 3D печати компании начинают искать способы создания новых бизнес-моделей и возможностей с помощью этой технологии.

В этой статье мы рассмотрим текущее состояние 3D печати в авиакосмической отрасли и познакомимся с конкретными случаями использования технологии.

Аэрокосмическая промышленность и оборона

Аэрокосмическая и оборонная промышленность являются одними из первых отраслей, внедривших 3D печать, причем первое использование этой технологии датируется 1989 годом. Теперь, три десятилетия спустя, эти отрасли занимают 16,8% рынка аддитивного производства объемом 10,4 млрд долларов США и вносят значительный вклад в текущие исследования в отрасли.

Развитие аддитивного производства в аэрокосмической отрасли во многом обусловлено ключевыми игроками, включая GE, Airbus, Boeing, Safran и GKN. Эти и другие компании определили ценность 3D печати:

• Возможность изготовления функциональных прототипов;
• Возможность производства инструментов;
• Уменьшение веса объектов.

Как мы видим, 3D печать для аэрокосмической отрасли не ограничивается прототипами. Настоящие, функциональные детали также печатаются на 3D принтере и используются в самолетах. Несколько примеров деталей, которые можно изготовить с помощью 3D печати, включают воздуховоды (SLS), стеновые панели (FDM) и даже структурные металлические компоненты (DMLS, EBM, DED).

Преимущества 3D печати для аэрокосмической промышленности 

Мелкосерийное производство

Для таких отраслей, как аэрокосмическая, где очень сложные детали производятся в малых объемах, 3D печать является идеальным решением. Используя эту технологию, можно создавать сложные геометрии без необходимости инвестировать в дорогостоящее инструментальное оборудование. Это дает аэрокосмическим производителям и поставщикам экономически эффективный способ производить небольшие партии деталей с минимальными затратами.  

Снижение веса

Наряду с аэродинамикой и производительностью двигателя, вес является одним из важнейших факторов, которые следует учитывать при проектировании самолета. Уменьшение веса самолета может значительно сократить выбросы углекислого газа, расход топлива и полезную нагрузку.

Вот тут-то и появляется 3D печать: эта технология является идеальным решением для создания легких деталей, что приводит к значительной экономии топлива. В сочетании с инструментами оптимизации дизайна, такими как программное обеспечение для генеративного дизайна, потенциал для увеличения сложности детали практически безграничен.

Эффективность материала

Поскольку процесс 3D печати работает путем создания деталей слой за слоем, материал, по большей части, используется только там, где это необходимо. В результате получается меньше отходов, чем при производстве традиционными субтрактивными методами.

Выбор доступных материалов для 3D печати в аэрокосмической промышленности варьируется от термопластиков инженерного класса (например, ULTEM 9085, ULTEM 1010, PAEK, армированный нейлон) до металлических порошков (высокоэффективные сплавы, титан, алюминий, нержавеющая сталь).

Ассортимент доступных материалов для 3D печати постоянно расширяется, открывая возможности для передовых применений в аэрокосмической отрасли.

Консолидация частей

Одним из ключевых преимуществ 3D печати является консолидация деталей: возможность интегрировать несколько деталей в один компонент. Уменьшение количества необходимых деталей может значительно упростить процесс сборки и обслуживания за счет сокращения времени, необходимого для сборки.

Техническое обслуживание и ремонт 

Средний срок службы самолета может составлять от 20 до 30 лет, что делает техническое обслуживание, ремонт и капитальный ремонт важной функцией в отрасли. Технологии 3D печати металлом, такие как Direct Energy Deposition, обычно используются для ремонта аэрокосмической и военной техники. Лопатки турбин и другое высокотехнологичное оборудование также можно восстанавливать и ремонтировать, добавляя материал на изношенные поверхности.

Использование технологии в авиакосмической отрасли

Компоненты ракеты на 3D принтере ArianeGroup

3D печать, особенно с использованием металлов, все чаще используется в производстве ракет. Эта технология позволяет инженерам совершенствовать конструкцию деталей ракет и изготавливать их в более короткие сроки.

Одним из примеров является инжекторная головка для ракеты-носителя Ariane 6, разработанная ArianeGroup, совместным предприятием Airbus Group и Safran. 

Форсунка — один из основных элементов двигательного модуля, который нагнетает топливную смесь в камеру сгорания. Традиционно головки инжекторов изготавливаются из десятков или даже сотен деталей, которые необходимо обработать и сварить вместе. 3D печать позволяет изготавливать эти компоненты как единое целое.  

В случае с головкой инжектора для ракеты-носителя Ariane 6 команда взяла конструкцию, которая изначально требовала 248 компонентов, и сократила ее до одной детали, напечатанной на 3D принтере. Материалом для детали послужил сплав на основе никеля. 

Деталь, которую невозможно изготовить обычными методами, затем была напечатана на 3D принтере с использованием технологии SLM.

Если раньше литье и обработка занимали более трех месяцев, то время производства с AM сократилось до 35 часов с использованием 3D принтера EOS M 400-4 с четырьмя параллельными лазерами. Дополнительным преимуществом стало снижение затрат на 50%.

Компоненты интерьера самолета Airbus

Пластиковые детали, изготовленные с помощью 3D печати, могут оказаться невероятно полезными для применения в аэрокосмической отрасли, например, в интерьерах самолетов.

Интерьеры салонов коммерческих самолетов необходимо периодически обновлять, и этот процесс может включать замену таких компонентов, как стеновые панели. Необходимость в кастомизации означает, что детали, как правило, будут производиться в небольших объемах. Также обязательным условием является быстрое выполнение заказов.  

Хорошим примером этого является Airbus. По состоянию на 2018 год компания изготовила и собирается установить на своем коммерческом самолете A320 панели-распорки, напечатанные на 3D принтере. Традиционно новые пластиковые компоненты изготавливались методом литья под давлением — дорогостоящей и сложной процедуры для небольших объемов.

Благодаря 3D печати (FDM) Airbus смогла производить компоненты со сложными характеристиками, такими как решетчатые структуры, без дополнительных производственных затрат. Результат: панели-распорки, которые на 15% легче панелей, созданных традиционными методами, что способствует снижению веса самого самолета.

Конструктивные элементы для систем обороны Nano Dimension и Harris Corporation

Когда дело доходит до обороны, 3D печать может изменить способ производства конечных деталей для военной техники. Текущие оборонные приложения варьируются от сложных кронштейнов и небольших разведывательных беспилотников до компонентов реактивных двигателей и корпусов подводных лодок.

3D печать электроники — молодая, но все более растущая область интересов оборонных компаний. Благодаря этой технологии инженеры в настоящее время могут проектировать и производить прототипы сложных печатных плат и антенн на месте.

Для производителей это означает возможность ускорить процесс разработки продукции за счет устранения необходимости передавать дорогостоящие проекты на аутсорсинг третьим лицам.  

Антенны являются ярким примером того, как 3D печать ускоряет процесс проектирования электронных устройств. Возьмем, к примеру, компанию Harris Corporation, которая совместно с Nano Dimension, производителем электронных систем 3D печати, добилась важного прорыва в 2018 году, начав производство антенн с помощью 3D печати.  

Инструменты Latécoère & Moog Aircraft Group

Аэрокосмические компании также могут извлечь выгоду из 3D печати, используя технологию для производства по запросу специального инструментального оборудования, такого как приспособления и крепежные элементы.

Французский производитель аэрокосмической техники Latécoère использовал 3D печать для сокращения сроков изготовления заказной оснастки. Ранее компания использовала фрезерование с ЧПУ для изготовления этих инструментов, при этом сроки изготовления составляли до шести недель. Теперь, с помощью FDM 3D принтеров, Latécoère может создавать производственные инструменты всего за пару дней — сокращая сроки изготовления на 95%.

Компания утверждает, что этот новый подход к производству инструментов также сокращает затраты на 40%. В частности, инструменты эргономично настраиваются, что облегчает работу оператора и приводит к более быстрому и эффективному производству.

Аналогичным образом Moog Aircraft Group использует FDM 3D печать для производства инструментов, таких как координатно-измерительные машины (КИМ), на месте. Раньше компания передавала эту оснастку на аутсорсинг, и процесс занимал от 4 до 6 недель. Теперь Moog использует 3D печать на месте, изготавливая оснастки КИМ примерно за 20 часов. Оснастки, которые раньше стоили более 2000 фунтов стерлингов, теперь можно изготовить за пару сотен фунтов.

Запчасти Satair

Аэрокосмическим компаниям, которые в большой степени зависят от запасных частей и сменных деталей, все чаще требуются короткие сроки выполнения заказов для сферы применения.

Чтобы удовлетворить этот спрос, поставщики для аэрокосмической промышленности должны найти способы предоставления услуг быстрее. Аддитивное производство позволяет создавать запасные части быстро в момент необходимости. Это, в свою очередь, снижает потребность в огромных запасах, помогая снизить затраты на хранение и гарантировать, что детали производятся локально.

Satair — дочерняя компания Airbus, которая специализируется на дистрибуции запасных частей, предлагая пластиковые и металлические детали, изготовленные методом аддитивного производства.

Поставщик запасных частей использует 3D печать для производства индивидуальных деталей и инструментов, а технология помогает значительно сократить сроки выполнения заказов и упростить сложную логистику. Благодаря такому стратегическому подходу компания может улучшить время выполнения заказов, быстро производя запасные части для операций по техническому обслуживанию.

Итог

3D печать открыла для авиакосмической отрасли новые возможности - как в производстве, так и в проектировании деталей. Новые принципы проектирования и 3D технологии печати позволили решить проблемы отрасли, сделав ее более гибкой к потребностям производителей.

Наши предыдущие статьи: