Hoe Additive Manufacturing de lucht- en ruimtevaartindustrie verbetert

Vanaf de vroegste dagen van additive manufacturing hebben leveranciers van 3D-printhardware en -materialen de lucht- en ruimtevaartindustrie geïdentificeerd als een belangrijk doelwit voor hun producten. Vliegtuigen, als zeer complexe systemen met een uiteenlopende reeks onderdelen, kunnen profiteren van geavanceerde ontwikkelingen op het gebied van productiegereedschappen en materialen, met name die welke het gewicht kunnen verminderen of de sterkte van componenten kunnen vergroten. Sommige 3D-printprocessen beweren beide te kunnen.

Helaas betekent dat niet dat de lucht- en ruimtevaart additieve productie sneller heeft ingevoerd dan andere industrieën. Aangezien vliegtuigen en hun talloze componenten - om voor de hand liggende redenen - de meest rigoureuze certificerings- en testprocedures moeten ondergaan, kan het zelfs jaren of decennia duren voordat een 3D-geprint lucht- en ruimtevaartcomponent van concept naar implementatie gaat. De technologie is er, maar de kennis die voortkomt uit jarenlang testen en observeren niet. Het is daarom veel gemakkelijker om additive manufacturing te implementeren in industrieën met een laag risico, waar minder levens op het spel staan.

Maar hoewel de implementatie van 3D-geprinte lucht- en ruimtevaartproducten traag kan zijn, hebben de onderdelen die de kwaliteit hebben gehaald al een grote impact op de industrie. Van eenvoudige dingen zoals 3D-geprinte interieurwanden tot absoluut kritieke onderdelen zoals additief vervaardigde metalen motorcomponenten, AM begint ongetwijfeld een vlucht te nemen in een van 's werelds meest lucratieve en snelle industrieën.

Dit artikel schetst slechts enkele van de manieren waarop AM wordt en zal worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie.

Lichtgewicht en krachtoptimalisatie

Additive manufacturing en subtractive manufacturing verschillen in veel opzichten, en de keuze tussen 3D-printen en traditionele alternatieven levert vaak een dilemma op. Een van de belangrijkste verschillen tussen de twee benaderingen is echter hun respectievelijke vermogen om de inwendige geometrie van een onderdeel vorm te geven.

3D-printen is ongelooflijk nuttig in industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, omdat het ingenieurs in staat stelt componenten te fabriceren met een gedeeltelijk holle binnenkant die complexe geometrische patronen gebruiken om hun interne sterkte te maximaliseren zonder gewicht toe te voegen. Omdat 3D-printers onderdelen 'van onderaf' bouwen, kunnen ze worden gebruikt om roosterachtige structuren te creëren in onderdelen zoals metalen motorcomponenten of plastic cabinewanden. Het zou onmogelijk zijn om dit te doen met traditionele processen zoals gieten (omdat het vloeibare materiaal de hele holte vult) of machinale bewerking (omdat het snijgereedschap de binnenkant niet kan bereiken zonder de buitenkant te penetreren).

Het is moeilijk om het belang van deze roosterstructuren 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 verminderen door het te bouwen met een gedeeltelijk hol, roostergestructureerd interieur. De wevende, pezige draden van het rooster kunnen op een wiskundig geoptimaliseerde manier worden gerangschikt om de sterkte te maximaliseren en stress te verminderen, zodat het lichtgewicht onderdeel net zo sterk is als - zo niet sterker dan - een volledig solide alternatief. Wat nog belangrijker is, is dat de ruimte tussen die draden gewichtloos is, wat betekent dat de totale massa van het onderdeel wordt verminderd.

Er zijn veel voorbeelden van ruimtevaartbedrijven die 3D-printen gebruiken om lichtgewicht onderdelen te maken. In 2011 kondigden onderzoekers van HRL Laboratories, eigendom van Boeing, de ontwikkeling aan van een metaal dat volgens hen het 'lichtste materiaal ter wereld' was, waarvan de dichtheid van slechts 0,9 mg/cc het ongeveer 100 keer lichter maakte dan piepschuim. "De truc is om een ​​rooster te maken van onderling verbonden holle buizen met een wanddikte van 100 nanometer, 1000 keer dunner dan een mensenhaar", legt Tobias Schaedler, een van de onderzoekers, uit.

Terwijl onderzoekers de mogelijkheden van lichtgewicht 3D-geprinte roosterstructuren blijven onderzoeken, zullen lucht- en ruimtevaartbedrijven meer en meer betrokken raken bij additive manufacturing met het oog op lichtgewicht en sterkte-optimalisatie.

Prototypes en reserveonderdelen

Een van de grootste voordelen van additive manufacturing - in elke branche - is de mogelijkheid om onderdelen on-demand en in eigen huis te maken. 3D-printers kunnen overal worden opgesteld en grotendeels autonoom werken, waardoor de doorlooptijden van 3D-geprinte onderdelen zeer kort zijn. Hierdoor zijn lucht- en ruimtevaartbedrijven in staat om snel nieuwe iteraties van een onderdeel te fabriceren voor onmiddellijke tests, waardoor uiteindelijk het R&D-proces wordt verkort en onderdelen sneller kunnen worden voltooid.

Snellere prototyping is daarom een ​​van de belangrijkste toepassingen voor additieve fabricage in de lucht- en ruimtevaart, en de resultaten zijn bewezen:volgens de gigant Stratasys van additieve fabricage kan het gebruik van in-house 3D-printen voor prototypen in de lucht- en ruimtevaart een tijdbesparing van ongeveer 43% opleveren in vergelijking met spuitgieten en CNC-gereedschappen en ongeveer 75% in vergelijking met 2D-lasersnijden.

Een ander gebied waarop de lucht- en ruimtevaart kan profiteren van additieve fabricage, is het bijhouden van de voorraad. Het gemiddelde commerciële vliegtuig bestaat uit ongeveer 4 miljoen componenten, die niet allemaal door dezelfde fabrikanten zijn gemaakt. Dit betekent dat vliegtuigleveranciers een enorme voorraad reserveonderdelen moeten aanhouden voor het geval een vliegtuig gerepareerd moet worden. Het kopen van die reserveonderdelen brengt hoge kosten met zich mee, net als het verwerven van het onroerend goed om ze allemaal op te slaan.

3D-printers kunnen op dit gebied een ongelooflijk nuttige oplossing bieden. Door een 3D-printer ter plaatse te houden, kunnen lucht- en ruimtevaartbedrijven - in plaats van gigantische magazijnen te vullen met miljoenen dure reserveonderdelen - gewoon een digitale bibliotheek met reserveonderdelen in een afdrukbaar formaat zoals STL houden. Op deze manier kunnen de bedrijven de onderdelen alleen 3D-printen als dat nodig is. Deze tactiek van het gebruik van digitale bibliotheken met reserveonderdelen wordt geleidelijk in veel sectoren toegepast en het zal tientallen jaren duren voordat deze op grote schaal wordt geïmplementeerd, maar de ruimtevaart zou een van de grootste begunstigden kunnen zijn.

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