Wat draagt ​​3D-printen bij aan de lucht- en ruimtevaartindustrie?

De lucht- en ruimtevaartindustrie is een zeer veeleisende omgeving . Het vereist onberispelijke elementen die bestand zijn tegen voortdurende slijtage en hoge druk en hoge temperaturen. Er is voortdurende innovatie en er wordt onderzoek gedaan om ervoor te zorgen dat de componenten sterk, resistent maar ook licht van gewicht zijn , om de prestaties van vliegtuigen te verbeteren, onderhoudswerkzaamheden gemakkelijker te maken en werknemers productiever te maken. Deze onontbeerlijke kwaliteit en betrouwbaarheid moet worden afgewogen tegen de dienstregelingen en boekingen van commerciële vluchten, en de urgentie en vereiste 24/7 paraatheid van militaire vliegtuigen. Als er iets misgaat in de productie- en logistieke keten , de beschikbaarheid, kwaliteit en zelfs veiligheid van commerciële en militaire vluchten kan worden gecompromitteerd .

De evolutie van AM in de lucht- en ruimtevaartindustrie

Dit is waar additive manufacturing in beeld komt. In de beginfase van de evolutie van 3D-printen , het was een uiterst innovatieve maar vrij beperkte fabricagemethode. De 3D-printers waren een kostbare investering, ze waren traag en te klein voor grootschalige industriële toepassingen. Bovendien was de materiaalmarkt zeer beperkt, vooral voor technisch technische materialen, en stonden fabrikanten van 3D-printers heel vaak alleen toe dat hun eigen materialen werden gebruikt met hun printers (vendor lock-in). Die tijden in 3D-printen zijn nu allang voorbij.

Tegenwoordig is additive manufacturing een volledig ontwikkelde industrie, met een uitstekende flexibiliteit van ontwerp en materiaal-printer compatibiliteit, specialistische software dat nauwkeurig ontwerp en reverse engineering mogelijk maakt, een ruime keuze aan zeer geavanceerde materialen voor de meest specialistische toepassingen, grootschalige 3D-printers met grote bouwoppervlakken en de mogelijkheid om lichtgewicht stukken te produceren die geen enkel nadeel hebben in vergelijking met hun CNC-tegenhangers.

Video 1. Airbus gebruikt AM-oplossingen in hun productielijn. Bron:Airbus.

De lucht- en ruimtevaartindustrie streeft naar lichtgewicht onderdelen die even goed kunnen presteren als traditioneel vervaardigde aluminium onderdelen . Door gewichtsvermindering (lightweighting) kunnen vliegtuigen sneller, verder en met minder brandstofverbruik vliegen. Elke 500 kg gewichtsvermindering vertaalt zich in ongeveer 1% minder brandstofverbruik, wat ook een lagere kooldioxide-uitstoot betekent.

De bijdragen van AM in de lucht- en ruimtevaart

Elk idee voor innovatie in de lucht- en ruimtevaartindustrie moet een zeer nauwgezet beoordelingsproces doorlopen om te controleren of het nieuwe materiaal of de nieuwe technologie voldoet aan de vele en strenge FAA-voorschriften voor vlieg- en vliegtuigveiligheid , of het nu een commercieel of militair vliegtuig is. Veel verouderde vliegtuigen hebben onderdelen die zijn vervaardigd met materialen die later giftig bleken te zijn en vervangen moeten worden, of materialen die gewoon niet meer worden gemaakt en opnieuw moeten worden gemaakt.

Additieve fabricage bedrijven bieden een breed scala aan filamenten die gecertificeerd zijn door de FAA vanwege hun grote treksterkte en chemische en thermische weerstand maar zonder schadelijke bijwerkingen . Voorbeelden van dergelijke materialen zijn filamenten uit de PAEK-familie, zoals de Essentium PEI 9085 ULTEM gloeidraad, Essentium PEEK of Essentium PEKK . Deze filamenten kunnen worden gebruikt voor toepassingen tijdens de vlucht. Het ULTEM PEI-filament werd gebruikt om onderdelen voor verlichtingssystemen, elektrische schakelaars, behuizingen en lampfittingen in 3D te printen.

Afbeelding 1. Een omgevingsleiding die wordt gebruikt in een ruimtelanceervoertuig. Bedrukt met het Essentium ULTEM 9085 filament. Bron:Essentium.

Het PEEK-filament wordt in de luchtvaartindustrie gebruikt om aluminium motoronderdelen, lagers, kleppen en lichtgeleiders te vervangen om optische kabels en elektrische systemen in een vliegtuig te isoleren en te beschermen.

Flexibel en direct onderhoud in eigen huis

De rol van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaart is het stadium van alleen prototyping gepasseerd, hoewel AM daar nog steeds voor wordt gebruikt. Gezien de omvang en productiekosten in de lucht- en ruimtevaartindustrie, zijn de traditionele manieren van prototyping door middel van spuitgieten en CNC-bewerking tijdrovend . Het 3D-printen van een prototype van een vliegtuig of een onderdeel daarvan vermindert aanzienlijk de kosten van prototypeproductie en aanpassingen, materiaalverspilling en vertragingen, en maakt de productie mogelijk van veel complexere structuren dan CNC.

Afbeelding 2. Een 3D-geprint prototype van een vliegtuig. Bron:Essentium.

Naast de productie van componenten voor satellieten (antennes voor ruimtevaartuigen), drones en onbemande vliegtuigen (rotorbladen en motoronderdelen), zijn de meest voorkomende AM-toepassingen in de lucht- en ruimtevaartindustrie de productie van grondonderdelen en niet-kritische niet-kritische -dragende componenten tijdens de vlucht .

Aangezien vliegtuigen een vrij dure investering zijn, doen oude vliegtuigeenheden vaak veel langer dienst dan zou moeten. Additive manufacturing is de perfecte technologie voor kleine onderhoudstaken . Het gaat om 3D-printen waarbij niet-essentiële onderdelen voor het interieur van het vliegtuig ontbreken of beschadigd zijn , zoals bekerhouders, dienbladen, toiletdeksels, luchtkanalen, instrumentenpanelen, enz. Dankzij AM is het mogelijk om een ​​element opnieuw te creëren, zelfs als de blauwdrukken ontbreken, door middel van reverse engineering - het onderdeel scannen, verwerken in ontwerpsoftware en vervolgens 3D printen.

Afbeelding 3. Turbines in 3D geprint. Bron:Essentium.

Hetzelfde geldt voor alle soorten gereedschappen, mallen en armaturen . In dat opzicht is innovatie met 3D-printen veel eenvoudiger te implementeren omdat grondondersteunende apparatuur niet aan een dergelijke controle wordt onderworpen door de FAA als luchtwaardige onderdelen. Zelfs als het originele gereedschap niet meer wordt vervaardigd, kan het 3D-geprint worden vanaf plannen of door het ontwerp van het gereedschap aan te passen op basis van de schroef of elementen die zouden moeten passen. Bij traditionele subtractieve fabricage zou dit proces veel meer tijd en materiaal kosten. Om gereedschappen, mallen en armaturen licht maar efficiënt te maken , materialen versterkt met koolstofvezels, glasvezels of metaal kunnen worden gebruikt. Het resulteert in onderdelen die tot 50% lichter zijn dan aluminium, maar met een uitstekende sterkte en temperatuurbestendigheid. Enkele goede filamenten voor dit doel zijn de Essentium HTN CF25 filament, de PA CF filament, of de ABS MG94 gloeidraad. Afgezien van sterkte, weerstand en lichtheid, zijn enkele andere kenmerken die een filament gericht op de lucht- en ruimtevaartindustrie zou moeten hebben, zijn vlamvertraging en ESD-veiligheid . De productievloer en onderhoudszones zijn ruimtes met verhoogde temperaturen, mogelijk explosieve materialen en statische elektriciteit - een zeer gevaarlijke combinatie voor zowel de apparatuur als de werknemers. De Essentium TPU 90A FR filament heeft vlamvertragende eigenschappen, waardoor het risico op brand en de verspreiding ervan aanzienlijk wordt geminimaliseerd. Het maakt het perfect voor gereedschappen, mallen en armaturen die in de hangar of rond het vliegtuig worden gebruikt.

Afbeelding 4. Een veiligheidsonderdeel gemaakt met de Essentium TPU 58D-AS. Bron:Essentium.

De Essentium TPU 58D-AS , aan de andere kant, is filament dat speciaal is ontworpen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie, voor de vervaardiging van stukken die verondersteld worden voor de vlucht te worden verwijderd (vandaar de rode kleur om de aandacht te trekken ). De TPU 58D-AS vermindert het risico op elektrostatische ontlading, wat een gevaar is voor mensen en elektronische componenten, die uiterst cruciaal zijn voor onder andere de goede werking van de navigatiesystemen van een vliegtuig.

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR vlamvertragend Essentium TPU 58D-AS

Logistieke beperkingen overwinnen

Vliegtuigen in een veilige en vluchtklare en missieklare staat houden in zowel de commerciële als de militaire lucht- en ruimtevaartindustrie is uiterst cruciaal, nog belangrijker dan constante innovatie. Additieve fabricage heeft zoveel toepassingen in die sectoren, juist omdat het passagiersvervoerders, koeriersbedrijven en legers meer onafhankelijkheid en flexibiliteit geeft bij het onderhoud van hun vliegtuigen.

De Covid-19 pandemie heeft de wereld op zoveel manieren veranderd. De lucht- en ruimtevaartindustrie was geen uitzondering, aangezien veel toeleveringsketens plotseling voor onvoorziene perioden stilstonden . Dat heeft productie-, onderhouds- en leveringsactiviteiten tot stilstand gebracht vanwege de afhankelijkheid van aannemers en leveringsbedrijven, een gevolg van een traditioneel productiemodel. Veel commerciële luchtvaartmaatschappijen leden grote financiële verliezen door het annuleren van vluchten , en dat betekende dat we op zoek moesten naar nieuwe manieren om kosten te verlagen . Additive manufacturing kan daar het antwoord op zijn.

Met traditionele productie , zoals CNC, zou de productie van een ESD-veilig onderdeel, een corrosiebestendig onderdeel en een onderdeel voor hoge temperaturen waarschijnlijk het gebruik van de dure diensten van vereisen. drie verschillende aannemers , gevarieerd en lange wachttijden (ook afhankelijk van de leverancier van de aannemer), en een gecompliceerde of onmogelijke levering in het geval van militaire vliegtuigen die in het buitenland zijn gestationeerd.

Afbeelding 5. Een voorbeeld van iteratieve fabricage. Bron:Essentium.

Een ander probleem is dat eenmalige gereedschappen of vervangende onderdelen in beperkte oplage zijn alomtegenwoordig in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Toevlucht nemen tot spuitgieten of CNC-bewerking om een ​​uniek stuk gereedschap te maken voor eenmalig gebruik, zou onnodige kosten en onnodig lange wachttijden met zich meebrengen. Dit alles kan worden opgelost met 3D-printen, aangezien een enkele 3D-printer ter plaatse kan worden gebruikt om al die onderdelen met verschillende geavanceerde technische filamenten te produceren tegen veel lagere kosten en met een lager risico op vertraging. Deze manier van produceren elimineert ook de noodzaak van opslag reserveonderdelen over de hele wereld om onderhoudstaken uit te voeren, aangezien elk nodig onderdeel op verzoek overal en altijd in 3D kan worden geprint. Al die kleine verbeteringen leiden tot een algehele vereenvoudiging en verkorting van de toeleverings- en productieketen in de lucht- en ruimtevaart, waardoor de kosten worden verlaagd en de CO2-voetafdruk die vliegtuigen achterlaten in evenwicht wordt gebracht .

Voorbeelden uit het echte leven

Een goed voorbeeld van de toepassing van AM-technologieën in een echte lucht- en ruimtevaartcontext is de Axle Box bedrijf. Ze ontwikkelden een droneplatform voor SkyFire , voor hun bosbouw- en brandbeveiliging klanten. Deze elementen moesten bestand zijn tegen de omstandigheden van een grootschalige brandbestrijdingsoperatie vanuit de lucht:vuur, water en wind. De onderdelen zijn geproduceerd tegen de laagste kosten en met de snelste doorlooptijden in vergelijking met concurrentie. Een middenlichaam van een drone werd 3D-geprint met de Essentium HTN CF25 filament en zijkappen met de PA CF gloeidraad. Beide materialen presteerden boven verwachting tijdens testvluchten , met geweldige mechanische eigenschappen en hoge snelheid.

Video 2. Een 3D-geprint onderdeel voor een drone-landingsplatform van Axle Box. Bron:Essentium.

Een veel voorkomende storing in vliegtuigen is een hydraulische storing , voornamelijk vanwege het gewicht van het vliegtuig en de spanningen die het tijdens een vlucht doorstaat. Het proces van het repareren van een hydraulische storing was vroeger erg veeleisend in termen van tijd en mankracht, omdat er meerdere technici nodig waren om toegang te krijgen tot de oorzaak van de storing en vervolgens de vervanging op zijn plaats te houden terwijl deze werd geïnstalleerd. Die hydraulische storingen kwamen zo vaak voor en waren zo kostbaar om te repareren dat een grote luchtvaartfabrikant besloot een beugel te 3D-printen die het vervangende onderdeel op zijn plaats zou houden, zonder dat er extra mankracht nodig was om het proces te ondersteunen .

De introductie van additive manufacturing in de lucht- en ruimtevaart is een baanbrekende ontwikkeling geweest voor zowel AM- als de lucht- en ruimtevaartindustrie . Het is een opwindende en transformerende uitdaging geweest voor de 3D-printwereld vanwege het aantal specialistische materialen met geavanceerde eigenschappen die vereist zijn in de lucht- en ruimtevaartindustrie. En voor de lucht- en ruimtevaartindustrie is het een grote stap geweest in de richting van meer ontwerpflexibiliteit, kostenreductie en logistieke onafhankelijkheid, dankzij de indrukwekkende snelheid, schaal en iteratiemogelijkheden die 3D-printen biedt.