Как 3D принтеры используются в индустрии производства моделей самолетов? (Часть 1)

Содержание:

• Какие модели самолетов существуют
• 3D принтеры в производстве моделей самолетов
• Производственные процессы в авиастроении
• Какие процессы могут заменить 3D принтеры
• Преимущества 3D печати для авиастроения
• Анализ преимуществ 3D принтеров для авиамодельной промышленности

Первое и самое очевидное применение 3D печати в индустрии - печать прототипов самолетов. Использование 3D принтеров позволяет уменьшить расходы на материалы и изготовить прототип с минимальными затратами.

Также принтеры подходят для печати запасных частей - имея принтер и необходимую модель для печати вы можете легко изготовить любую деталь. Преимущество собственного производства запчастей заключается в том, что можно не зависеть от регулярности поставок и не тратить много времени на ожидание.

Как и любая индустрия, авиастроение нуждается в рекламе. А что еще более выгодно сможет презентовать продукцию, как не миниатюрная копия настоящего самолета? Помимо рекламы, в авиастроении распространена практика изготовления полной модели самолета для тестирования. Напечатанные на 3D принтере летательные аппараты позволяют уменьшить затраты на тестирование и сократить время на производство самолета.

От аэрокосмической до машиностроительной и медицинской отрасли, 3D принтеры стали неотъемлемой частью производственного цикла. Большинство научно-исследовательских групп оценили преимущества 3D печати и полагаются на современные технологии, которые предлагают производители 3D принтеров на сегодняшний день.

В этой статье мы предлагаем полное руководство по выбору 3D принтера для изготовления моделей самолетов. Узнайте, как подобрать оборудование для печати в зависимости от цели, отрасли и объемов производства!

Какие модели самолетов существуют

Существует два типа моделей самолетов: статические нелетающие модели, которые используется в основном демонстрации, и летающие модели, которые могут управляться дистанционно.

Перед выбором оборудования для печати моделей важно сразу определиться, для какой из двух моделей она предназначается.

Летающие модели самолетов можно отнести к одной из трех разных групп. Первая группа — модели для свободного полета. Это планеры, которые не управляются человеком ни дистанционно, ни напрямую.

Вторая группа — это самолеты с линейным управлением. Оно состоит из одного или двух тросов, которые ведут от крыла к пилоту.

Последняя группа — это радиоуправляемые модели самолетов, летать на которых наиболее интересно и весело, поскольку у вас есть полная свобода передвижения и широкие возможности для управления.

Некоторые радиоуправляемые модели напоминают настоящие самолеты. Сложность обладания такими планерами заключается в том, что после полетов нужно поддерживать их привлекательный внешний вид, а также регулярно проверять двигатель и остальные узлы для стабильной работы.

Статичные модели для сборки и демонстрации

Статические модели самолетов (то есть те, которые не предназначены для полетов) представляют собой масштабные модели, построенные из пластика, дерева, металла, бумаги, стекловолокна или любого другого подходящего материала. Некоторые статические модели масштабируются для испытаний, например проверки максимальной нагрузки в аэродинамических трубах при разработке полномасштабных самолетов.

Статичные модели могут быть напечатаны целиком и окрашены, созданы из нескольких деталей и склеены, а также могут быть изготовлены в виде конструктора из множества элементов. Такие модели планеров можно демонстрировать клиентам в коммерческих целях, например, в рекламе туристического агентства, а также использовать для коллекционирования.

Большинство авиакомпаний мира позволяют создавать модели из своего парка самолетов в качестве рекламы. Кроме того, авиакомпании и производители самолетов раздают настольные модели самолетов аэропортам, авиакомпаниям и правительственным чиновникам в качестве способа продвижения своей авиакомпании, открытия нового маршрута или достижения.

Использование 3D принтеров и литья пластика с использованием форм из углеродистой стали является наиболее распространенным способом создания статических моделей самолетов.

Литье под давлением обеспечивает высокую степень точности и автоматизацию, недоступные в других производственных процессах. Минусами литья являются высокая стоимость форм, а также достаточно долгий производственный цикл по сравнению с 3D печатью. Кроме того, изготавливать небольшие партии с помощью литья - довольно дорогое удовольствие, так как металлические формы для отливки составляют значительную часть бюджета на производство. Если заменить их силиконовыми или резиновыми молдами (которые, к слову, не являются долговечными), то проблема решится лишь временно, а затраты опять возрастут при необходимости изготовления новых форм для литья.

Динамические модели

Авиамодели для спортивных соревнований или развлечений обычно представляют собой уменьшенные копии полноразмерных самолетов, хотя некоторые из них намеренно не похожи на них - например, модели птиц, летучих мышей и даже птерозавров.

Уменьшенные размеры модели влияют и на его полетные характеристики. Например, меняется число Рейнольдса, которое определяет, как воздух ведет себя при обтекании модели. А следовательно должны меняться и необходимые управляющие поверхности, аэродинамические профили и многие другие показатели. Именно поэтому в конструкцию миниатюр необходимо вносить изменения.

Конструкция летающих моделей отличается от конструкции большинства статических моделей, поскольку основными факторами для полета являются вес и прочность (и, как следствие, отношение прочности к весу).

Динамические летающие модели заимствуют методы строительства у полноразмерных самолетов, хотя металл используется в гораздо меньшем количестве. Рама формируется из легких пород дерева, например, березы, а для дублирования шпангоутов, лонжеронов и нервюр старинных полноразмерных самолетов или более крупных моделей с двигателем используется тонкая фанера или шпон, а также пенополистирол.

Для динамических моделей самолетов свободного полета обычно используется эластичный двигатель. Эластичный двигатель — это просто резиновая лента, которую очень туго наматывают перед полетом, а затем отпускают, чтобы пропеллер начал вращаться. Эластичный двигатель на самом деле является наиболее широко используемым двигателем для авиамоделей, и его можно найти в детских игрушках вплоть до профессиональных авиамоделей.

Причина, по которой эластичный двигатель так популярен, заключается в его простоте и длительном сроке службы. Кроме того, не нужно ждать, пока зарядится аккумулятор, или покупать топливо для двигателя. Основным недостатком является тот факт, что он может работать только в течение определенного периода времени, который зависит от длины резиновой ленты.

3D принтеры в производстве моделей самолетов

Производство моделей самолетов требует тщательного планирования, проектирования и разработки. Если у вас нет опыта в авиамоделировании, то вам будет трудно изготовить самолет любого размера. При этом авиамодельная промышленность не всегда была такой динамичной и сложной, как сейчас.

До того, как 3D печать пришла в авиамоделирование, эксперты и профессионалы в отрасли полагались исключительно на традиционные методы. 3D печать позволила производителям авиамоделей изготавливать сложные компоненты, которые невозможно произвести с помощью традиционных технологий. Аддитивные технологии позволили привнести инновации в авиамоделирование, которые обеспечили снижение затрат и времени на выполнение некоторых работ.

Из-за того, что производство деталей ограничивается небольшими партиями,  авиамодельная промышленность может получить большую выгоду от 3D печати. Это дает компаниям возможность печатать детали самолетов для сотен или тысяч применений без закупки дорогостоящего оборудования и инструментов.

Кроме того, преимущества метода производства и материалов позволяют облегчить конструкцию самолета, увеличивая экономию топлива и уменьшая воздействие на окружающую среду.

Производственные процессы в авиастроении

А теперь давайте посмотрим, что происходит в авиационной промышленности, которая также использует инновационные технологии 3D печати в разработке и производстве самолетов.

Являясь лидером в развитии современной мировой экономики, авиастроительная промышленность имеет долгую историю в области новейших технологических изобретений и создания стандартов производства.

Новые материалы, современные производственные процессы и сложное программное обеспечение были созданы и освоены этой отраслью несколько десятилетий назад и теперь являются обычным явлением для других отраслей.

В отличие от отраслей массового производства, авиастроительная промышленность в значительной степени ориентирована на сложное и мелкосерийное производство. Помимо бесконечных возможностей, глобализация также приносит новые проблемы, такие как ограничения экологических характеристик, высокие производственные затраты и конкурентные рыночные условия.

Однако важно иметь в виду, что авиационная промышленность не всегда была такой динамичной, как сейчас. 3D принтеры, которые в настоящее время лидируют в процессах проектирования и разработки в авиационной промышленности, не всегда были доступны. Первоначальный производственный процесс основывался на традиционных методах производства.

Традиционное производство относится к процессу преобразования сырья в готовый к продаже продукт с использованием ручных и/или механизированных методов и технологий. В отличие от 3D печати, которая добавляет материал для производства конечной формы, традиционные методы производства носят субтрактивный характер. Субтрактивное производство заключается в удалении частей блока материала для создания желаемой формы. То есть субтрактивное производство оставляет больше отходов, чем 3D печать и требует больше материала для производства.

Какие процессы могут заменить 3D принтеры

Авиационная промышленность опирается на инновации для роста и решения проблем. 3D печать моделей самолетов является одним из самых поразительных процессов, который вошел в отрасль машиностроения за последние несколько лет. 

Традиционно металлические детали вырезаются из алюминия или других материалов. Это достаточно дорогостоящий и трудоемкий процесс. 3D печать позволяет автоматически создавать компоненты, добавляя слои металла или других материалов друг на друга.

Печатные детали обычно намного легче металлических, что позволяет создать более экономичные самолеты, а следовательно снизить затраты и на остальные компоненты. За время эксплуатации самолета это может быть огромной суммой денег.

Примерно каждые пятнадцать лет мировой авиапарк удваивается. Это оказывает огромное давление на производителей, которым приходится постоянно создавать новые самолеты, соблюдая при этом новое законодательство. Модели самолетов, напечатанные на 3D принтере, могут значительно сократить время, необходимое для создания деталей самолета, и совсем скоро станут отраслевым стандартом для производства определенных элементов.

Преимущества 3D печати для авиастроения достаточно велики. Например, 3D печать позволила уменьшить вес некоторых компонентов. Вес влияет на полезную нагрузку самолета, расход топлива, выбросы и скорость. Ключевые элементы, такие как воздуховоды, стеновые панели, каркасы сидений и даже компоненты двигателя, получили меньший вес благодаря моделям самолетов, напечатанным на 3D принтере.

Элементы 3D печати могут значительно сократить время и количество деталей, необходимых для построения секций самолета. Например, теплообменник для катализатора может состоять из 300 отдельных компонентов, но теперь его можно напечатать как единое целое.

Преимущества 3D печати для авиастроения

3D печать в авиационной промышленности позволяет инженерам быстрее создавать прототипы и проверять концептуальные проекты. Поскольку производство оснастки можно пропустить и перейти сразу к готовым деталям, это ускоряет общий процесс разработки. Возможность создавать прототипы без инструментов позволяет компаниям быстро тестировать несколько конфигураций, чтобы определить предпочтения клиентов, снизить риски при запуска продукта и время выхода на рынок.

Точно так же 3D печать выгодна для демонстрационных единиц и мелкосерийного производства, где технология снижает или устраняет затраты на дорогостоящие и плохо амортизируемые производственные инструменты. Вот некоторые из ключевых изменений, которые произошли в авиационной промышленности после появления моделей самолетов, напечатанных на 3D принтере.

Экономическая эффективность производства

В качестве одноэтапного производственного процесса 3D печатные модели самолетов экономят время и, следовательно, затраты, связанные с использованием различных машин для производства. 3D принтеры для моделей самолетов могут управляться дистанционно, что не требует постоянного присутствия оператора на рабочем месте.

3D печать прототипов самолетов позволяет снизить затраты на материалы, поскольку в работе используется только то количество материала, которое требуется для самой детали. Стоимость оборудования может стать существенной статьей расходов, однако можно воспользоваться услугами компаний, которые занимаются 3D печатью.

Уменьшение веса

Поскольку расходы на топливо являются одной из основных статей расходов для авиакомпаний, они, как правило, вкладывают средства в самолеты с превосходной топливной экономичностью. Однако традиционные методы производства имеют ограниченные возможности для снижения веса деталей самолета.

Поэтому производители продолжают поиск более совершенных и альтернативных методов изготовления деталей с уменьшенным весом.

Модели самолетов, напечатанные на 3D принтере, предлагают уникальные решения для снижения веса за счет оптимизированной геометрии деталей, что позволяет экономить материалы. С помощью 3D печати производители могут печатать самолеты-планеры из легких материалов с более тонкими стенками, чем при литье под давлением.

Кроме того, технология обеспечивает функциональную интеграцию, поскольку несколько отдельных частей компонента могут быть спроектированы и напечатаны как единое целое, что еще больше снижает вес детали.

Создание деталей со сложной геометрией

Излишне говорить, что основная физическая разница в том, как объекты создаются с помощью аддитивного производства, также приводит к некоторым существенным функциональным различиям.

Наиболее важным из этих функциональных отличий является то, что теперь стало возможным создание деталей со сложной геометрией, которой было бы трудно или невозможно достичь с помощью традиционных методов производства. Эти сложные геометрические формы часто прочнее и легче, чем их традиционные аналоги.

Производство запасных частей

Прогнозирование спроса на запасные части является сложной задачей, и иногда запасная часть может быть снята с производства. Эти факторы затрудняют послепродажное обслуживание самолетов и приводят к общей неэффективности цепочки поставок. Хотя высокие уровни запасов могут сократить время простоя самолетов, они приводят к астрономически высоким затратам на содержание таких запасов.

Кроме того, часто бывает проблематично своевременно обеспечить услуги технического обслуживания и ремонта. Необходимость производить высококачественные запасные части из дорогих материалов в короткие сроки ставит производителей в затруднительное положение, поскольку время выполнения заказа часто растягивается до нескольких месяцев при использовании традиционных производственных процессов.

Кроме того, при ремонте или замене устаревших компонентов самолета соответствующие инструменты могут быть недоступны для покупки у производителей. Производство деталей на 3D принтере позволяет преодолеть некоторые из этих проблем, ускорив оборот и сократив запасы за счет производства по требованию.

Модели, напечатанные на 3D принтере, позволяют компаниям производить детали непосредственно из файла цифрового дизайна без использования каких-либо инструментов, таких как пресс-формы. Это означает, что некоторые запасные части, особенно детали с низким спросом, такие как устаревшие компоненты, могут быть оцифрованы и заархивированы для 3D печати.

Если есть необходимость в замене, проект можно просто взять из виртуального каталога деталей и отправить на печать. Благодаря своей способности экономично производить небольшие объемы деталей, 3D печатные модели самолетов также позволяют компаниям создавать ровно столько деталей, сколько необходимо, решая проблему перепроизводства, типичную для традиционных методов производства.

Анализ преимуществ 3D принтеров для авиамодельной промышленности

Компании, которые изготавливают радиоуправляемые модели самолетов, а также авиакомпании всегда ищут способы улучшить впечатления своих клиентов от полетов, и дизайн салона играет в этом решающую роль. Создание нестандартных интерьеров, отвечающих конкретным потребностям и функциям авиакомпаний, является растущей тенденцией и идеальной задачей для 3D печати в авиационной промышленности.

Используя модели самолетов, напечатанные на 3D принтере, можно быстрее выйти на рынок, не тратя драгоценное время на ожидание переоснащения. Если необходимо доработать дизайн, можно просто внести коррективы в файл САПР и запрограммировать быстро распечатать необходимые детали на 3D принтере.

Модели самолетов, напечатанные на 3D принтере, могут превзойти аналоги, изготовленные традиционным способом в отношении свойств материалов, а также функциональность элементов, которые не зависят от производственных ограничений.

3D печать в авиастроении и авиамоделировании открывают новые возможности для индивидуального изготовления деталей салона, поскольку не требуют дорогостоящих инструментов и изменения технологий. Таким образом, изготовление нестандартных деталей происходит быстрее и дешевле.

А вот еще преимущества 3D принтеров для авиамоделирования.

Производство инновационных деталей

С 3D печатью вы получаете возможность изготавливать детали, которые просто невозможно изготовить традиционными способами. Детали могут быть напечатаны с использованием разных материалов, а также цветов, что позволяет сразу же создать модель, которая отвечает всем конечным требованиям.

Достижения в области материалов для 3D печати самолетов означают, что теперь отрасль может печатать из бесчисленного множества новых материалов, включая традиционные полимерные материалы, а также металлы. В результате с помощью промышленной 3D печати можно производить красивые, сложные и долговечные модели.

Использование профессионального или промышленного оборудования помогает сократить время на обработку готового изделия, а значит ускорить время выпуска нового продукта.

Сокращение временных затрат

Авиационная промышленность одержима производительностью и надежностью и уже давно осуществляет контроль качества на этапе производства.

Авиационная промышленность является крупнейшим источником спроса на промышленные системы 3D печати. Хотя многие стандарты механических испытаний применимы к моделям самолетов, напечатанным на 3D принтере, иногда возникают серьезные проблемы с применением некоторых обычных процедур контроля качества.

Проверка сложных форм после сборки более трудна и становится очень сложной или невозможной, когда несколько деталей печатаются вместе, собираются и становятся неразборными.

Одно из самых многообещающих достижений в области напечатанных моделей самолетов касается контроля качества в реальном времени и в замкнутом цикле. В процессах 3D печати самолетов с использованием порошковых материалов поверхность изделия обрабатывается параллельно с формированием детали.

Мониторинг системных настроек и параметров процесса в ходе текущего производства позволяет регулировать и оптимизировать условия. Интеллектуальные функции оборудования, позволяющие отследить качество в процессе производства позволяет получить детали со стабильными механическими свойствами и отличным качеством.

Проверка состояния материала и точности размеров в процессе производства, несомненно, открывает новые возможности 3D печати для серийного производства моделей самолетов. Более того, использование 3D печати в конечном итоге может снизить затраты на производство отдельных компонентов за счет снижения затрат, связанных с контролем качества.

Сокращение отходов, веса и габаритов

В решении некоторых задач 3D печать превосходит традиционные методы работы с материалом. Аддитивное производство позволяет создавать один большой компонент с нуля в виде единого целого, минуя этап сборки из нескольких частей. При этом 3D печать позволяет производителям сократить количество отходов материала, а также вес и объем конечной детали.

Есть еще одно ключевое преимущество моделей самолетов, напечатанных на 3D принтере, которое вполне может превзойти все другие методы производства вместе взятые. Когда производство устаревших планеров прекращается, особенно в рамках оборонных контрактов, часто производитель по закону обязан уничтожить штампы и оснастку.

За соблюдением этого обязательства тщательно следят. К сожалению, в процессе эксплуатации структурные компоненты изнашиваются и выходят из строя и часто это происходит еще до того, как заканчивается срок службы самолета. Но если производство этой модели завершается, то все инструменты для производства запасных частей уничтожаются, поэтому изготовление новых компонентов становится невозможно традиционными способами.

3D печать предлагает решение этой проблемы. Точные копии структурных компонентов теперь доступны в любое время по мере необходимости. Так как этот вид производства не требует большого количества оснастки и изготовления дополнительных приспособлений, время выполнения работ будет максимально коротким. Его можно измерять часами или днями, а не неделями.

При этом возможности 3D печати позволяют изменять внутренние структуры детали, тем самым снижая вес элемента. Иногда этот показатель достигает 25%. А при проектировании самолетов в пассажирском авиастроении это может привести к снижению веса на сотни фунтов, а может быть, даже на тысячи, в зависимости от размера и области применения компонента.

Итог

Мы завершаем первую часть нашего знакомства с возможностями и преимуществами 3D печати в авиастроении и авиамоделировании. В следующей статье мы более подробно расскажем о том, как подобрать оборудование для 3D печати и что следует знать для организации производства.