De Luchtvaart Revolutioneren: Hoe Additieve Fabricage Prestaties en Efficiëntie Verbetert

Vanaf de vroege dagen van additieve fabricage hebben leveranciers van 3D-printhardware en -materialen de luchtvaartindustrie geïdentificeerd als een belangrijke doelgroep voor hun producten. Vliegtuigen, als hoogst complexe systemen met een diverse reeks onderdelen, profiteren van baanbrekende ontwikkelingen in productietools en materialen, met name die het gewicht van componenten kunnen verlagen of de sterkte kunnen verhogen. Sommige 3D-printprocessen claimen beide te realiseren.

Helaas betekent dit niet dat de luchtvaart additieve fabricage sneller heeft aangenomen dan andere industrieën. Integendeel, aangezien vliegtuigen en hun talloze componenten — uit duidelijke redenen — de meest rigoureuze certificerings- en testprocedures moeten doorlopen, kan het jaren of decennia duren voordat een 3D-geprint luchtvaartonderdeel van concept naar implementatie gaat. De technologie is er, maar de kennis die voortkomt uit jarenlange tests en observaties nog niet. Het is daarom veel eenvoudiger om additieve fabricage te implementeren in laagrisico-industrieën waar minder levens op het spel staan.

Toch hebben de onderdelen die de keuring hebben gehaald al een grote impact op de industrie. Van eenvoudige dingen zoals 3D-geprinte interieurcabinwanden tot absoluut cruciale onderdelen zoals additief geproduceerde metalen motorcomponenten: AM begint ongetwijfeld op te komen in een van 's werelds meest lucratieve en snelgroeiende industrieën.

In dit artikel worden enkele van de manieren beschreven waarop AM in de luchtvaartindustrie wordt en zal worden toegepast.

Gewichtsreductie & Sterkteoptimalisatie

Additieve fabricage en subtractieve fabricage verschillen op veel vlakken, en de keuze tussen 3D-printen en traditionele alternatieve methoden vormt vaak een dilemma. Echter, een van de belangrijkste verschillen tussen de twee benaderingen is hun respectievelijke vermogen om de interne geometrie van een onderdeel te vormgeven.

3D-printen is ongelooflijk nuttig in industrieën als de luchtvaart omdat het ingenieurs in staat stelt componenten te fabriceren met deels holle interieurs die complexe geometrische patronen gebruiken om hun interne sterkte te maximaliseren zonder gewicht toe te voegen. Omdat 3D-printers onderdelen "van onder naar boven" bouwen, kunnen ze gebruikt worden om roosterachtige structuren binnen onderdelen te creëren, zoals metalen motorcomponenten of kunststof cabinscheidingen. Dit zou onmogelijk zijn met traditionele processen zoals gieten (omdat het vloeibare materiaal de volledige holte vult) of frezen (omdat het snijgereedschap het interieur niet kan bereiken zonder het exterieur te doorboren).

Het belang van deze roosterstructuren is nauwelijks te overschatten. Bij het bouwen van een vliegtuig is elke gram gewicht een obstakel voor maximale efficiëntie, maar 3D-printen maakt het mogelijk om de massa van een onderdeel aanzienlijk te verlagen door het te bouwen met een deels hol, roosterachtig interieur. De verwikkelde, ademende draden van het rooster kunnen wiskundig geoptimaliseerd worden om de sterkte te maximaliseren en spanning te minimaliseren, zodat het lichtgewicht onderdeel net zo sterk is — zo niet sterker — dan een volledig massieve alternatief. Belangrijker nog: de ruimte tussen die draden is gewichtloos, wat de totale massa van het onderdeel verlaagt.

Er zijn veel voorbeelden van luchtvaartbedrijven die 3D-printen gebruiken om lichtgewicht onderdelen te creëren. In 2011 kondigden onderzoekers van Boeing-dochter HRL Laboratories de ontwikkeling aan van een metaal waarvan ze dachten dat het "ter wereld lichtste materiaal" was, met een dichtheid van slechts 0,9 mg/cc, wat het ongeveer 100 keer lichter maakte dan styrofoam. "Het trucje is om een rooster van onderling verbonden holle buizen te fabriceren met een wanddikte van 100 nanometer, 1.000 keer dunner dan een menselijk haar," legde Tobias Schaedler, een van de onderzoekers, uit.

Naarmate onderzoekers de mogelijkheden van lichtgewicht 3D-geprinte roosterstructuren blijven verkennen, zullen luchtvaartbedrijven steeds meer betrokken raken bij additieve fabricage voor gewichtsreductie en sterkteoptimalisatie.

Prototypes & Reservedeelvoorraad

Een van de grootste voordelen van additieve fabricage — in elke industrie — is de mogelijkheid om onderdelen op aanvraag en in-house te produceren. 3D-printers kunnen overal worden opgezet en werken grotendeels autonoom, wat betekent dat de levertijden voor 3D-geprinte onderdelen erg kort zijn. Hierdoor kunnen luchtvaartbedrijven snel nieuwe iteraties van een onderdeel fabriceren voor directe testen, wat het R&D-proces versnelt en onderdelen sneller klaarstelt.

Sneller prototypen is daarom een van de belangrijkste toepassingen van additieve fabricage in de luchtvaart, en de resultaten zijn bewezen: volgens AM-gigant Stratasys kan het gebruik van in-house 3D-printen voor luchtvaartprototypes resulteren in tijdsbesparing van ongeveer 43% vergeleken met spuitgieten en CNC-gereedschapsbouw en ongeveer 75% vergeleken met 2D-lasersnijden.

Een ander gebied waarin de luchtvaart kan profiteren van additieve fabricage is het beheer van voorraad. Een gemiddeld commercieel vliegtuig bestaat uit ongeveer 4 miljoen componenten, niet allemaal geproduceerd door dezelfde fabrikanten. Dit betekent dat vliegtuuffleveranciers een enorme voorraad aan reservedeel moeten bijhouden voor het geval een vliegtuig gerepareerd moet worden. Het aankopen van die reservedeel kost veel geld, net als het verwerven van de opslagruimte om ze allemaal te bewaren.

3D-printers bieden hier een uitstekende oplossing. Door een 3D-printer op locatie te hebben, kunnen luchtvaartbedrijven — in plaats van gigantische magazijnen te vullen met miljoenen dure reservedeel — simpelweg een digitale bibliotheek van reservedeel in een printbaar formaat zoals STL bijhouden. Op deze manier kunnen ze de onderdelen alleen 3D-printen wanneer ze nodig zijn. Deze tactiek van het gebruik van digitale reservedeelbibliotheken wordt geleidelijk door veel industrieën aangepast en zal decennia duren voordat het op grote schaal geïmplementeerd is, maar de luchtvaart zou een van de grootste begunstigden kunnen zijn.

3ERP heeft jarenlange ervaring met het creëren van prototype-onderdelen voor klanten in de luchtvaart en andere industrieën. Neem contact op voor een snelle offerte voor elk project.