Groot-formaat AM verbetert luchtvaartflexibiliteit

Ascent Aerospace (Macomb Township, Michigan, VS; Santa Ana, Californië, VS) noemt zich de grootste luchtvaart tooling leverancier ter wereld, met voornamelijk metallische oplossingen voor vormen, montage en trim en drill fixtures. De focus van het bedrijf op vormgeving ligt op grote aerostructuren, zoals nacelles, vleugels, rompfen, sparren, stringers en frames. De trim en drill fixtures worden gebruikt in CNC-bewerking, robotische lassen, automatische pressen, inspectiesystemen en montageapplicaties.

In 2018 begon het bedrijf te overwegen groot-formaat additieve productie toe te voegen aan zijn Santa Ana portfolio en voerde een evaluatie uit van systemen, materialen en toepassingen op de markt. Erkennend dat het een groot-formaat machine nodig had die tools kon produceren van een grootte typisch voor Ascent, investeerde het bedrijf in 2019 in een LSAM-systeem van Thermwood (Dale, Indiana, VS) – een 10 x 40 voet dual-gantry/dual-functie, extrusie-gebaseerde additieve productiecel die een groot-formaat printer aan de ene kant en CNC-bewerkingsmogelijkheden aan de andere kant omvat. Het systeem werd in het tweede kwartaal van 2020 geïnstalleerd, net toen de pandemie begon.

Sean Henson, global product manager, composieten en additieve productie bij Ascent's Santa Ana locatie, zegt dat hoewel de timing niet ideaal was, Ascent in staat was de nieuwe LSAM direct aan het werk te zetten en begon een meemaandenlange inspanning om de mogelijkheden, voordelen en beperkingen van groot-formaat AM in een toolingomgeving te begrijpen.

De leercurve en pandemie niettegenstaande, leverde Ascent meer dan 20 toolingprogramma's via de LSAM in het eerste jaar van de activiteit. Het merendeel van dit werk concentreerde zich op productie van fixtures, vacuümtrimtools, prototypes en vormen. Voor trim fixtures gebruikte Ascent voornamelijk een ABS hars van Techmer (Clinton, Tennessee, VS) versterkt met 20 wt-% gehakte koolstofvezel. Voor vormtoepassingen die hoge-temperatuurcycli vereisen, print Ascent met ofwel polyethersulfon (PESU) of polyetherimide (PEI), beide versterkt met gehakte koolstofvezel. Ascent heeft ook, in een paar toepassingen, geprint met polycarbonaat (PC) omdat het iets betere eigenschappen biedt dan ABS en een hogere temperatuurprestatie heeft. Henson zegt dat ongeveer 75% van de producten gemaakt met het LSAM-systeem voor kamertemperatuurgebruik zijn, met de balans bestemd voor temperatuurcycli. Van de vormen die temperatuur zien, zijn sommige vormmasters en ontworpen voor <200°F omgevingen, terwijl andere ontworpen zijn voor autoklaafverharding tot 350-400°F en 100 psi druk.

Wat is dan het grootste voordeel van LSAM? Snelheid en kosten, zegt Henson. De levertijd voor een LSAM-gemaakte vorm is de helft van die voor een metalen vorm en materiaalkosten zijn ook lager. "Dus snelheid is een enorme," zegt Henson. "De reden dat we naar groot-formaat additieve productie gingen was de materiaaldepositiesnelheden en gewoon het bedrag dat we kunnen bouwen omdat onze tooling groot is. We kunnen heel grote dingen heel snel bouwen. Onze prints duren doorgaans tussen de acht en 15 uur. In die tijd zijn we in staat om tools te fabriceren die tot 1.000 of 1.500 pond materiaal kunnen wegen. Dus we kijken naar een voetafdruk van 13 tot 14 voet lang en 5 voet hoog en we printen dat in minder dan een dag."

Verder, omdat Ascent een dual-gantry/dual-functie machine heeft, kan het printen en afwerken van vormen tegelijkertijd. "Het heeft de dual gantry," merkt Henson op. "Dus we hebben de mogelijkheid om op de ene helft van het systeem te printen en op de andere helft te machineeren, en we kunnen die onafhankelijk draaien zodat we iets van 10 tot 15 voet lang kunnen printen en iets op de andere kant van de tafel dat dezelfde lengte heeft, machineeren, en die operaties simultaan laten lopen." Ook merkt Henson op dat omdat printen en afwerken op dezelfde machine zitten, de "router weet waar de printer materiaal neergelegd heeft," wat het downstream bewerkingsproces versnelt. Voor de juiste applicatie en de juiste klant, zegt Henson, levert 3D-printen een afgerond, bruikbaar product sneller dan mogelijk met enig legacy materiaal of proces.

De nadelen? Er zijn er een paar, beginnend met het near net-shape aspect van 3D-printen met een grote extruder. "Alles wat we doen is een overbuild met post-proces bewerking," wijst Henson erop. "De afweging die je maakt om zoveel materiaal neer te leggen als de LSAM kan, zo snel als het kan, is de resolutie van je prints. Onze [geëxtrudeerde] knopen zijn meer dan driekwart inch breed en ongeveer een kwart inch hoog. Als je naar een as-geprint stuk kijkt, kun je die schaalvormen zien, je kunt ze voelen. Het is een FDM punt laag, net 100 keer opgeblazen. En dus voor elk type glad oppervlak, of het nu een temperatuurvorm of een trim tool of zelfs gewoon een glad prototype, is er een bewerkingscomponent betrokken om een fijne afwerking te krijgen, met name voor luchtvaarttoepassingen."

De tweede uitdaging rust in het feit dat een koolstofvezel-versterkte thermoplast zich niet gedraagt als Invar, aluminium of staal. De anisotrope aard van vezel-versterkte materialen betekent hun sterk variërende coëfficiënt van thermische uitdijting (CTE) in een vorm tijdens thermische cycli kan het moeilijk maken om afgeronde onderdelen te produceren die aan dimensionale specificaties voldoen. "Dat is de grote uitdaging die we aan de ontwerpkant en aan de printkant hebben," zegt Henson. "Klanten geven ons een eindvorm en dan moeten we een beetje modelleringswerk doen om uit te zoeken wat de tool eruit moet zien zowel van een structureel oogpunt als van een CTE-oogpunt." Henson zegt dat Ascent leert om te corrigeren voor CTE-variabiliteit in zijn ontwerpen, rekenend op trial-and-error, data afgeleid van eerdere printprogramma's en klantfeedback om zijn ontwerpmogelijkheden te verfijnen.

Henson zegt dat deze kosten/baten combinatie – CTE versus snelheid en kosten – betekent dat zijn LSAM-mogelijkheden zorgvuldig moeten worden ingezet, de toepassingseisen afwegend tegen de levertermijn. "Dit is een echt goede manier om een tool in een kwestie van weken te krijgen, in tegenstelling tot een paar maanden," zegt Henson. "Maar wees je bewust van de afwegingen. Als je verwacht dat het reageert als een Invar tool, waar je een perfect onderdeel krijgt, dan zal het dat niet doen. Maar voor veel klanten, en met name veel R&D en ontwikkelingsklanten, is het een echt goede manier om een snelle tool te krijgen."

Dat gezegd hebbende, is ten minste één van de vormen die Ascent van zijn LSAM geprint heeft al in gebruik voor productie van een vliegend vliegtuig, met zeker meer te volgen. En het bedrijf ziet een dag, niet te ver in de toekomst, wanneer het zijn LSAM-capaciteit maximaliseert en meer moet toevoegen. Het eigendom van het bedrijf, zegt Henson, ziet het potentieel van 3D-printen en is zeer ondersteunend van het uitgebreide gebruik ervan.