Hoe 3D-printen de innovatie en efficiëntie in de luchtvaart verbetert

De luchtvaartindustrie is een uiterst eisende omgeving. Het vereist foutloze componenten die continue slijtage, hoge druk en hoge temperaturen kunnen weerstaan. Er is continue innovatie en onderzoek gaande om ervoor te zorgen dat componenten sterk, weerstandsbaar maar ook lichtgewicht zijn, om de prestaties van vliegtuigen te verbeteren, onderhoud makkelijker te maken en werknemers productiever te laten zijn. Deze onmisbare kwaliteit en betrouwbaarheid moet in evenwicht worden gebracht met de schema's en boekingen van commerciële vluchten, en de urgentie en vereiste 24/7-gereedheid van militaire vliegtuigen. Als er iets misgaat in de productie- en logistieke keten, kan de beschikbaarheid, kwaliteit en zelfs veiligheid van zowel commerciële als militaire vluchten in het geding komen.

De evolutie van additieve manufacturing in de luchtvaart

Hier treedt additieve manufacturing (AM) op het toneel. In de beginfase van de evolutie van 3D-printen was het een extreem innovatieve maar nogal beperkte productiemethode. 3D-printers waren een dure investering, traag en te klein voor grootschalige industriële toepassingen. Bovendien was de materialenmarkt zeer beperkt, vooral voor technische engineering-materialen, en fabrikanten van 3D-printers stonden vaak alleen hun eigen materialen toe (vendor lock-in). Die tijden zijn definitief voorbij.

Tegenwoordig is additieve manufacturing een volledig ontwikkelde industrie, met een uitstekende ontwerpvrijheid en materiaal-printercompatibiliteit, gespecialiseerde software die precies ontwerp en reverse engineering mogelijk maakt, een ruime keuze uit hooggeavanceerde materialen voor de meest gespecialiseerde toepassingen, grootschalige 3D-printers met grote bouwvolumes, en de mogelijkheid om lichtgewicht onderdelen te produceren die geen nadeel hebben ten opzichte van hun CNC-geproduceerde tegenhangers.

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

De luchtvaartindustrie streeft naar lichtgewicht onderdelen die even goed presteren als traditioneel geproduceerde aluminiumcomponenten. Gewichtsreductie (lightweighting) stelt vliegtuigen in staat sneller, verder en met minder brandstofverbruik te vliegen. Elke 500 kg gewichtsreductie vertaalt zich in ongeveer 1% minder brandstofverbruik, wat ook betekent: minder CO₂-uitstoot.

De bijdragen van AM in de luchtvaart

Elk innovatie-initiatief in de luchtvaart moet door een zeer nauwkeurig beoordelingsproces gaan om te controleren of het nieuwe materiaal of de technologie voldoet aan de talrijke en strikte FAA-regelgeving voor vlucht- en vliegtuigveiligheid, of het nu om een commercieel of een militair toestel gaat. Verouderde vliegtuigen hebben vaak componenten geproduceerd met materialen die later bleek giftig te zijn en vervangen moeten worden, of materialen die simpelweg niet meer geproduceerd worden en gerecreëerd moeten worden.

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

Afbeelding 1. Een omgevingscontrole conduit gebruikt in een ruimtelancering. Geprint met Essentium ULTEM 9085 filament. Bron: Essentium.

Het PEEK-filament is in de luchtvaart gebruikt om aluminium motoronderdelen, lagers, kleppen, en lichtgeleidingen te vervangen die optische kabels en elektrische systemen in een vliegtuig isoleren en beschermen.

Flexibele en directe in-house onderhoud

De rol van 3D-printen in de luchtvaart heeft het stadium van enkel prototypen overschreden, hoewel AM nog steeds daarvoor wordt gebruikt. Gegeven de schaal en kosten van productie in de luchtvaart, zijn traditionele manieren van prototypen via spuitgieten en CNC-bewerking tijd- en middelenintensief. Het 3D-printen van een prototype van een vliegtuig of een onderdeel verlaagt de productiekosten en aanpassingen, materiaalverspilling en vertragingen aanzienlijk, en maakt de productie van veel complexere structuren mogelijk 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 bemanningsloze vliegtuigen (rotorbladen en motoronderdelen), zijn de meest voorkomende AM-toepassingen in de luchtvaart de productie van grondonderdelen en niet-kritieke, niet-belastende in-vlucht componenten.

Omdat vliegtuigen een dure investering zijn, dienen oude toestellen vaak veel langer dan verwacht. Additieve manufacturing is de ideale technologie voor kleine onderhoudstaken. Hierbij gaat het om het 3D-printen van ontbrekende of beschadigde niet-essentiële componenten voor het interieur van het vliegtuig, zoals bekershouderbakjes, dienbladjes, toiletdeksels, luchtkanalen, instrumentenpanelen, enz. Dankzij AM is het mogelijk om een element te recreëren zelfs als de tekeningen ontbreken, door middel van reverse engineering - het scannen van het onderdeel, verwerken in ontwerpsoftware, en vervolgens 3D-printen.

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

Hetzelfde geldt voor allerlei gereedschappen, hulpmiddelen en vastzetapparatuur (jigs and fixtures). In die zin is innovatie met 3D-printen veel gemakkelijker te implementeren, omdat grondondersteuningsapparatuur niet aan dergelijke strenge controle wordt onderworpen door de FAA als luchtwaardige onderdelen. Zelfs als het originele hulpmiddel niet meer geproduceerd wordt, kan het 3D-geprint worden vanuit plannen of door het ontwerp aan te passen op basis van de schroef of elementen waar het bij moet passen. Met traditionele aftrekende productie zou dit proces veel meer tijd en materiaal kosten. Om hulpmiddelen, jigs en fixtures licht maar efficiënt te maken, kunnen materialen worden gebruikt. Dit resulteert in onderdelen tot 50% lichter dan aluminium maar met uitstekende sterkte en temperatuurbestendigheid. Enkele uitstekende filaments hiervoor zijn het Essentium HTN CF25-filament, het PA CF-filament, of het ABS MG94-filament. Naast sterkte, weerstand en lichtgewicht, zijn andere eigenschappen die een filament voor de luchtvaart moet hebben, vlammendwergendheid en ESD-veiligheid. De productievloer en onderhoudszones zijn ruimtes met verhoogde temperaturen, mogelijke explosieve materialen en statische elektriciteit - een gevaarlijke combinatie zowel voor apparatuur als werknemers. Het Essentium TPU 90A FR-filament heeft vlammendwergende eigenschappen, wat het risico op brand en verspreiding aanzienlijk minimaliseert. Het is perfect voor hulpmiddelen, jigs en fixtures die in de hangar of rondom het vliegtuig worden gebruikt.

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

Het Essentium TPU 58D-AS, aan de andere kant, is een filament speciaal ontworpen voor de luchtvaartindustrie, voor de productie van onderdelen die voor de vlucht verwijderd moeten worden (vandaar de rode kleur om de aandacht te trekken). Het TPU 58D-AS vermindert het risico op electrostatische ontlading, wat een gevaar is voor mensen en voor elektronische componenten, die cruciaal zijn voor het goed functioneren van de navigatiesystemen van een vliegtuig, onder andere functies.

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

Logistieke beperkingen overwinnen

Vliegtuigen in een veilige, vlucht- en missiegereedstaat te houden is in zowel de commerciële als de militaire luchtvaart van cruciaal belang, nog belangrijker dan continue innovatie. Additieve manufacturing heeft zoveel toepassingen in die industrieën juist omdat het passagiersvervoerders, koeriersbedrijven en legers meer onafhankelijkheid en flexibiliteit geeft in het onderhoud van hun vliegtuigen.

De Covid-19-pandemie heeft de wereld op zoveel manieren veranderd. De luchtvaart was geen uitzondering, aangezien veel leveringsketens plotseling op pauze stonden voor onvoorziene periodes. Dat heeft productie, onderhoud en leveroperaties gestaakt door de afhankelijkheid van aannemers en leverbedrijven, een gevolg van het traditionele productiemodel. Veel commerciële luchtvaartmaatschappijen lieten grote financiële verliezen door de annulering van vluchten, wat betekende dat ze naar nieuwe manieren moesten zoeken om kosten te verlagen. Additieve manufacturing kan het antwoord zijn.

Met traditionele productie, zoals CNC, zou de productie van een ESD-veilig component, een corrosieweerstandig component, en een hoge-temperatuurcomponent waarschijnlijk de dure diensten van drie verschillende aannemers vereisen, gevarieerde 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 stationeren.

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

Een ander punt is dat eenmalige hulpmiddelen of beperkte reeks vervangingsonderdelen alomtegenwoordig zijn in de luchtvaart. Het aanspannen op spuitgieten of CNC-bewerking om een uniek hulpmiddel voor eenmalig gebruik te maken, zou onnodige kosten en onnodig lange wachttijden impliceren. Al dat kan opgelost worden met 3D-printen, aangezien één 3D-printer on-location gebruikt kan worden om al die onderdelen met verschillende geavanceerde technische filaments te produceren tegen veel lagere kosten en met een lager risico op vertraging. Deze productiewijze elimineert ook de noodzaak voor magazijnopslag van reserveonderdelen over de hele wereld om onderhoudstaken uit te voeren, aangezien elk nodig onderdeel overal en op elk moment op vraag 3D-geprint kan worden. Al die kleine verbeteringen leiden tot een algehele vereenvoudiging en verkorting van de leverings- en productieketen in de luchtvaart, wat de kosten verlaagt en de koolstofvoetafdruk die vliegtuigen achterlaten in evenwicht brengt.

Praktijkvoorbeelden

Een geweldig voorbeeld van de toepassing van AM-technologieën in een echte luchtvaartcontext is het bedrijf Axle Box. Ze ontwikkelden een droneplatform voor SkyFire, voor hun bosbouw- en brandbeschermingsklanten. Deze elementen moesten de omstandigheden van een grootschalige luchtbrandbestrijdingsoperatie kunnen weerstaan - vuur, water en wind. De onderdelen werden geproduceerd tegen de laagste kosten en met de snelste levertijden in vergelijking met de concurrentie. Een drone-middenstuk werd 3D-geprint met het Essentium HTN CF25-filament en zijpaneelen met het PA CF-filament. Beide materialen presteerden boven verwachting in vluchttesten, met geweldige mechanische eigenschappen en hoge snelheid.

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

Een veelvoorkomende storing in vliegtuigen is een hydraulische storing, voornamelijk door het gewicht van het toestel en de belasting die het tijdens een vlucht ondergaat. Het reparatieproces van een hydraulische storing was erg veeleisend qua tijd en bemanning, omdat het verschillende technici vereiste om de bron van de storing te bereiken en vervolgens het vervangingsonderdeel op zijn plaats te houden tijdens de installatie. Die hydraulische storingen voerden zo vaak en waren zo duur te repareren dat een grote luchtvaartfabrikant besloot om een steun te 3D-printen die het vervangingsonderdeel op zijn plaats houdt, zonder dat extra bemanning nodig is om in het proces te assist.

De introductie van additieve manufacturing in de luchtvaart is een baankloppende ontwikkeling voor zowel AM als de luchtvaartindustrie. Het is een spannende en transformerende uitdaging geweest voor de 3D-printwereld vanwege het aantal gespecialiseerde materialen met geavanceerde eigenschappen die in de luchtvaart vereist zijn. En voor de luchtvaartindustrie is het een grote stap naar meer ontwerpvrijheid, kostenreductie en logistieke onafhankelijkheid, dankzij de indrukwekkende snelheid, schaal en iteratiemogelijkheden die 3D-printen biedt.