Jak druk 3D rewolucjonizuje przemysł lotniczy?

Jak druk 3D rewolucjonizuje przemysł lotniczy?

Minęło sporo czasu odkąd Frank Pearne wraz z Charlesem L. Krumemem rozpoczęli pracę nad drukującym telegrafem nazywanym dalekopisem. Od tamtego wynalazku technologia zrobiła znaczący krok w przód, dzięki czemu elektryczne samochody, superszybkie komputery czy podróże w kosmos stały się rzeczywistością.

Wytwarzanie przyrostowe, znane nam doskonale jako druk 3D rozwija się dopiero od około dwóch dekad, ale jej rola w toczącej się rewolucji technologicznej jest znacząca. Wcześniej, znany jako Rapid Prototyping, proces ograniczał się głównie do budowania prototypów i testowania produktów. Mocno ewoluował i obecnie umożliwia wytwarzanie personalizowanych produktów dla użytkowników końcowych w różnych branżach. Poprzez zmniejszanie wagi elementów, wzmacnianie stosowanych materiałów i usprawnianie projektowania wpływa znacząco między innymi na przemysł lotniczy.

Porównanie: druk 3D a tradycyjne metody wytwarzania

Przemysł lotniczy obejmuje szereg zastosowań komercyjnych, przemysłowych i
wojskowych. Składa się z działów zajmujących się projektowaniem, produkcją, obsługą i konserwacją samolotów lub statków kosmicznych. Jako jeden z pierwszych
beneficjentów druku 3D, branża lotnicza jest siłą napędową ewolucji tej technologii
zarówno w zakresie produkcji elementów do zastosowań końcowych, jak i tworzenia
prototypów. Producenci wojskowych samolotów i wyposażenia armii wykorzystują
druk 3D, aby złagodzić ograniczenia łańcucha dostaw, zmniejszyć przestrzeń
magazynową i obniżyć marnotrawstwo materiałów z tradycyjnych procesów
produkcyjnych. Szybka produkcja części do samolotów na żądanie pozwala
zaoszczędzić ogromną ilość miejsca magazynowego, czasu i pieniędzy. Aby to
zobrazować skonfrontuję technologię przyrostową z tradycyjnymi metodami
wytwarzania.

Technologia przyrostowa Tradycyjne metody wytwarzania

 

Technologia przyrostowa

Tradycyjne metody wytwarzania (CNC)

Koszt

Wytwarzanie elementów po kosztach materiałów

Duży koszt przy produkcji nisko – seryjnej. Dodatkowy koszt to przygotowanie form, barwniki, wykończenie

Czas

Szybki czas wytwarzania – zazwyczaj od kilku do kilkudziesięciu godzin

Długi czas, zależy od stopnia skomplikowania formy, zapasów i łańcucha dostaw

Zużycie zasobów

Wymagana optymalna ilość materiału

Wysokie zużycie

Produkt

Możliwość wytworzenia produktów o skomplikowanej geometrii

Produkcja ograniczona. Konieczność łączenia kilku elementów w całość

Post-processing

Nie zawsze jest konieczny

W większości przypadków wymagana obróbka końcowa

Jakość materiału

Np. PEEK, ULTEM —właściwości zbliżone do stali

Elementy gotowe do ponoszenia obciążeń

Straty materiału

Niskie/Żadne

Wysokie

Prototypowanie

Możliwość szybkiego tworzenia prototypów

Bardzo drogie
i czasochłonne

Użycie w przestrzeni lotniczej

Możliwe przy zastosowaniu wysokotemperaturowych filamentów, niskiej masie
i dużej odporności mechanicznej

Trudne do wykonania

 

Możliwości zastosowania druku 3D w przemyśle lotniczym

W praktyce minimalizacja masy jest najważniejszym czynnikiem, który pożądany jest przez wojsko, producentów samolotów i sektor kosmiczny. Waga samolotu wpływa na jego ładowność, zużycie paliwa, emisje, prędkość, a nawet bezpieczeństwo. W przeciwieństwie do tradycyjnych procesów produkcyjnych, takich jak CNC, części tworzy się od podstawy, warstwa po warstwie, umożliwiając stworzenie bardzo złożonej geometrii, z mniejszą liczbą komponentów. To wszystko przekłada się na mniejszą wagę w powietrzu. Kanały powietrzne, panele ścienne, ramy siedzeń, a nawet komponenty silnika, wszystkie skorzystały na zmniejszonej masie, którą zapewnił druk 3D. Najlepiej widoczne jest to na przykładzie „Airbusa”, który posiada obecnie rekordową (ponad 1000) liczbę części wydrukowanych w 3D w swoim nowym samolocie A350 XWB. Wykorzystanie technologii druku 3D, a konkretnie filamentu ULTEM 9085 pomogło w szybkiej i wydajnej produkcji. Ten termoplastyczny Polieteroimid jest certyfikowanym materiałem spełniającym odpowiednie normy palności i toksyczności. Dzięki świetnej wytrzymałości mechanicznej uzyskanej poprzez wysoki stosunek siły do masy przypomina właściwościami stal. Podobnie jest w przypadku wykorzystania druku 3D przez NASA. Tutaj drukarka służyła do opracowania i przetestowania łazika kosmicznego. Wyposażony w kabinę ciśnieniową łazik zawiera w sobie ponad 70 części wytworzonych w FDM-ie. Obejmuje to między innymi ognioodporne otwory wentylacyjne, obudowy, mocowania, drzwi, zderzak i wiele innych niestandardowych elementów wyposażenia.

Filamenty wykorzystywane w przemyśle lotniczym

Przed użyciem w tak ekstremalnych warunkach materiały muszą zostać dokładnie zbadane pod kątem różnych właściwości, takich jak stabilność wymiarowa, wytrzymałość, lepkość, odporność na ciepło i wilgoć. Związane jest to z koniecznością otrzymania odpowiednich certyfikatów bezpieczeństwa statków powietrznych i kosmicznych. To niezwykle długi i żmudny proces, wiele projektów jest na etapie specjalistycznych badań. Między innymi dopracowywane jest rozwarstwianie i pękanie wydruków pod wpływem konkretnych czynników. Technolodzy druku 3D opracowują nowe metody niwelowania porowatości na wydrukach, minimalizowania wnęk spowodowanych skurczem, utlenianiem czy innymi nieszczelnościami. Przykładem takich działań jest dodanie do filamentu PEEK włókien węglowych lub szklanych, które znacznie poprawiają właściwości mechaniczne i umożliwiają przewodnictwo cieplne.

Druk 3D zdecydowanie rewolucjonizuje świat produkcji, nawet w najbardziej zaawansowanych sektorach przemysłu, takich jak przemysł lotniczy. Branża ta opiera się na dwóch postulatach – niskiej wagi komponentów wyposażenia i wysokiego bezpieczeństwa. Druk 3D systematycznie rozwiązuje te problemy. Wydaje się więc tylko kwestią czasu to, kiedy stanie się standardem wykorzystywanym na ogromną skalę.

Autor: Cezary Wilczyński

Źródło: Omni3D

Zdjęcia dronów wydrukowanych na drukarkach Omni3D: Źródło Omni3D