Een revolutie in de lucht- en ruimtevaart:3D-geprinte structurele componenten

Ongetwijfeld heb je de afgelopen jaren veel hype rond 3D-printen en additive manufacturing gehoord, waardoor de verwachting (in de media) ontstond dat de ‘traditionele’ fabriek binnenkort niet meer zal bestaan. Het gepraat over wonderbaarlijke nieuwe methoden, over het direct printen van plastic, rubber en metalen onderdelen en het militair en orbitaal printen van vervangende onderdelen luidt een nieuwe dageraad in.

Misschien.

In één sector is de impact echter zeer reëel en onmiddellijk en is tenminste een deel van de hype niet geheel misplaatst!

Met de snelle vooruitgang die plaatsvindt in de 3D-printtechnologie staat de lucht- en ruimtevaartindustrie aan het begin van een revolutionaire reis, vooral op het gebied van structurele componenten met een lagere precisie en een eenvoudiger functie. 3D-printen is uitgegroeid tot een baanbrekende techniek voor het snel maken van ingewikkelde en op maat gemaakte onderdelen, zolang je maar niet op zoek bent naar goedkope oplossingen.

3D-printen kan worden gebruikt om uitzonderlijk lichtgewicht en duurzame componenten te maken van een anders moeilijk te vervaardigen ontwerp, waardoor de prestaties en het brandstofverbruik worden gemaximaliseerd en tegelijkertijd wordt voldaan aan de zeer strenge veiligheidsnormen in de sector. Om het volledige potentieel van deze baanbrekende technologie te begrijpen, is het nuttig om de kernfeiten en toonaangevende verwachtingen van 3D-printen te onderzoeken en hoe deze van toepassing kunnen zijn op de productievereisten in de lucht- en ruimtevaart.

In dit artikel onderzoeken we de complexiteit van 3D-printen en hoe dit de toekomst van de fabricage van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaartsector transformeert, waardoor we je een basis bieden waarmee je je kennis kunt uitbreiden vanuit een zelfverzekerd (en hype-vrij) startpunt.

Wat is het doel van het 3D-printen van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart?

Het belangrijkste doel van 3D-printen voor structurele lucht- en ruimtevaartcomponenten is om onderdelen te creëren op een manier die zowel commercieel haalbaar is als strikt voldoet aan de toepasselijke veiligheids- en milieunormen en de veiligheidseisen van vliegtuigen. Het snel produceren van ingewikkelde, lichtgewicht onderdelen en op maat gemaakte componenten die snelle onderhouds-/ontwikkelingscycli mogelijk maken en de prestaties van zowel vliegtuigen als ruimtevaartuigen op peil houden, draagt ​​bij aan het leveren van betrouwbare, veilige en kosteneffectieve vluchten. Ingewikkelde geometrieën die langzaam of onmogelijk te produceren zijn met conventionele methoden, kunnen nu snel worden gemaakt met behulp van 3D-printen. De lucht- en ruimtevaartindustrie begint een nieuw innovatieproces dankzij 3D-printen.

Welke structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart kunnen in 3D worden geprint?

Structurele componenten voor de lucht- en ruimtevaart die zich lenen voor additieve vervaardiging zijn onder meer:

1. Brandstofsproeiers.
2. Turbinebladen.
3. Onbemande luchtvaartuigen.
4. Satellietframes.
5. Besturingsoppervlakte-actuators

Hoe werkt het 3D-printen van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart?

Structurele en functionele componenten uit de lucht- en ruimtevaart worden 3D-geprint met behulp van CAD-gegevens (Computer-Aided Design) die worden verwerkt tot echte objecten door materiaal laag voor laag af te zetten en te versmelten om snel afgewerkte onderdelen op te bouwen. De volgende lijst schetst dit proces in meer detail:

1. Een CAD-ontworpen 3D-model dient als basis van het proces.
2. Om het onderdeel te maken, interpreteert de software voor het bouwen van de 3D-printer het ontwerp in een reeks segmenten en bouwparameterinstructies die door de printer kunnen worden gelezen.
3. De 3D-printer plaatst materialen (zoals metalen of polymeren, in filament-, vloeibare of poedervorm) op het bouwplatform en versmelt deze met zichzelf en met de onderliggende laag.
4. Laag voor laag wordt de hoogte opgebouwd totdat het onderdeel klaar is.
5. Het onderdeel wordt verwijderd, gereinigd en nabewerkt. Dit kan handmatig of geautomatiseerd zijn en kan gepaard gaan met het verwijderen van de ondersteuningsstructuur, het stralen van media of een secundaire afwerking.
6. Waar hogere precisie vereist is (zoals lagervlakken of gatdiameters), kan enige nabewerking nodig zijn.

Naast het snel bouwen van onderdelen met complexe geometrieën, het verminderen van materiaalverspilling en het produceren van lichtgewicht componenten met verbeterde prestaties, biedt 3D-printen de ingenieur meer ontwerpvrijheid dan andere fabricagemethoden.

Wat zijn de voordelen van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie?

De typische voordelen van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie zijn:

1. Additive manufacturing maakt de consolidatie van subassemblages tot afzonderlijke componenten mogelijk die anders onmogelijk te vervaardigen zijn. Het verminderen van het aantal onderdelen vermindert ook het risico op FOD of vuil van vreemde voorwerpen.
2. Additieve technologieën maken het mogelijk om complexiteit in ontwerpen te creëren die anders niet haalbaar is, met minder geavanceerde methoden. 3D-printen hoeft niet te voldoen aan zichtlijnkenmerken zoals machinale bewerking vereist.
3. De aard van 3D-printen maakt ontwerpwijzigingen in snelle iteratie mogelijk zonder dat er andere wijzigingen aan de productieapparatuur nodig zijn dan modellen in de 3D-slicer.
4. Deze processen voorzien ontwerpers en fabrikanten van snelle, on-demand productie, overal ter wereld waar apparatuur aanwezig is, waardoor de time-to-market en supply chain-kosten worden verminderd en de complexiteit van de infrastructuur op het terrein wordt verminderd.
5. Door strategische en voorzichtige toepassing van additieve productieprocessen wordt de toeleveringsketen slanker, betrouwbaarder en consistenter gemaakt.

Wat zijn de nadelen van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie?

De nadelen van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaartindustrie zijn onder meer:

1. Afhankelijk van de gebruikte technologie en het vereiste nauwkeurigheidsniveau van het onderdeel in zijn functie, vereisen sommige van deze onderdelen aanvullende nabewerking. Deze fase omvat aanvullende taken, variërend van precisiebewerking, polijsten en coaten tot het verfijnen van de 3D-geprinte componenten voor specifieke behoeften. Nabewerking vereist doorgaans delicate en bekwame handarbeid en verhoogt daardoor de productietijd en -kosten. Dit kan in verhouding staan tot de kosten van het geprinte onderdeel, waardoor de onbetwiste voordelen van een gestroomlijnde productie teniet worden gedaan.
2. De opmerkelijke reeks componenten die uit 3D-printen kunnen worden afgeleid, wordt in veel gevallen beperkt door het ontbreken van nauwkeurig selecteerbare materiaalkwaliteiten. Luchtvaartspecifieke regelgeving vereist gespecialiseerde en strak gespecificeerde materialen. Bijgevolg wordt de sector lucht- en ruimtevaarttechniek beperkt door het aantal materiaalopties, waardoor het vermogen van de technologie om tijdens deze innovatie-/transitiefase een breder scala aan vliegtuigelementen te creëren, wordt beperkt.
3. Hoewel de productiviteitsefficiëntie wordt verhoogd, kan door 3D-printen aangestuurde productie de kostenefficiëntie aanzienlijk verlagen. Als de componentkosten groter zijn dan de planningskosten, kan het niet dienen. Als methode voor het extreem snel maken van complexe onderdelen die niet kostengevoelig zijn, heeft het echter een plaats die steeds belangrijker wordt.

Wat zijn voorbeelden van 3D-geprinte toepassingen voor structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart?

Er is onderzoek gedaan naar verschillende toepassingen van 3D-geprinte structurele componenten in de lucht- en ruimtevaartindustrie, met tot nu toe beperkte acceptatie tijdens de vlucht. Vleugelbeugels, actuatorcomponenten voor vliegtuigen, drone-rotorbladen, brandstofsproeiers, verbrandingskamers en zelfs delen van de interne structuur van de motor zijn enkele voorbeelden van getrokken en goed ontvangen componenten. Deze toepassingen benadrukken het opmerkelijke aanpassingsvermogen en het potentieel van deze productiemethode in zijn potentieel om de sector te beïnvloeden. Het is duidelijk dat 3D-printen op het punt staat de productieprocessen van de sector met zijn eindeloze mogelijkheden te hervormen.

Wat zijn de materialen die worden gebruikt bij het 3D-printen van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart?

Enkele van de materialen die worden gebruikt bij het 3D-printen van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart zijn onder meer:

1. Titaniumlegeringen

Titanium is een hoogwaardig materiaal dat bij uitstek geschikt is voor de lucht- en ruimtevaartsector, waar de hoge kosten niet onbetaalbaar zijn en de sterkte-gewichtsverhouding en uitzonderlijke corrosieprestaties overweldigend gunstig zijn. Bovendien zijn de productieprocessen die worden gebruikt voor de productie van titaniumonderdelen beperkt en zijn de productieproblemen aanzienlijk. Additieve productie verhelpt de meeste van deze productieproblemen en levert hoogwaardige onderdelen op die een aanzienlijk lagere weerstand in de toeleveringsketen en logistieke problemen bieden. 

2. Aluminiumlegeringen

Aluminium is zeker geen slechte tweede keuze voor titanium, omdat het vrijwel dezelfde sterkte-gewichtsverhouding biedt en aanzienlijk lagere grondstof- en (traditionele) verwerkingskosten. Een aanzienlijk eenvoudiger toeleveringsketen voor materialen voor additieve productie betekent dat er meer opties zijn om uit te kiezen, en dat de bouwenergie lager is, waardoor apparatuur met een lager vermogen of snellere bouwwerkzaamheden kunnen worden gebruikt. Aluminium biedt over het algemeen goede corrosie-eigenschappen voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen en deze kunnen aanzienlijk worden verbeterd door te anodiseren, waarbij een gecontroleerde en nauwkeurige oxidefilm op onderdelen wordt gevormd die zuurstof uitsluit, zelfs als ze nat zijn.

3. Nikkellegeringen

Nikkellegeringen bieden extreme prestaties bij hoge temperaturen en uitstekende corrosieweerstand. 3D-geprinte onderdelen van nikkellegeringen hebben veel belangstelling gewekt in de lucht- en ruimtevaartsector, vooral voor experimenteel gebruik in turbinebladen, echte toepassing tijdens de vlucht in verbrandingskamers en uitlaatonderdelen voor gasturbines, evenals raketmotoronderdelen voor warm gebruik. Nikkel-superlegeringen spelen een cruciale rol bij het verbeteren van de algehele efficiëntie en betrouwbaarheid van kritische systemen.

4. Roestvrij staal

Roestvast staal van verschillende kwaliteiten wordt veel gebruikt in additieve productie in verschillende niet-luchtvaartsectoren, waardoor sterkte en uitzonderlijke corrosieweerstand worden geboden aan gereedschappen, industriële apparatuur en meer. 3D-geprinte onderdelen uit roestvrij staal kunnen robuuste, duurzame structurele en functionele componenten bieden voor toepassingen onder hoge spanning in de lucht- en ruimtevaart. Onderdelen die ten grondslag liggen aan de succesvolle werking van lucht- en ruimtevaartuigen in landingsgestellen, inclusief de stutten en ondersteunende structuren, zijn gemaakt van deze legeringsfamilie en moeten voldoen aan de verbazingwekkende eisen van het landen. De onderscheidende combinatie van weerstand tegen corrosie, sterkte en duurzaamheid onderscheidt roestvrij staal en maakt het een ideale keuze voor sterktekritische (in plaats van gewichtskritische) componenten in de sector. Ondanks de grotere sterkte van roestvrij staal, vertoont aluminium een aanzienlijk betere sterkte-gewichtsverhouding, maar een lagere veerkracht onder cyclische belasting.

5. Koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP's)

Met koolstofvezel versterkte polymeren (CFRP's) worden snel gebruikt als goede materiaalopties in veel toepassingen die een laag gewicht en hoge sterkte vereisen. CFRP combineert het lage gewicht van polymeren met de sterkte van metalen. Ze spelen een steeds centralere rol in de lucht- en ruimtevaartindustrie, door de brandstofefficiëntie te verbeteren, de uitstoot te verminderen, de algehele prestaties/liftcapaciteit van vliegtuigen en ruimtevaartuigen te verbeteren en de schokbestendigheid te verbeteren. CFRP's kunnen het gewicht van een vliegtuig tot 20% verminderen. Het 3D-printen van sandwichstructuren met verschillende kernvormen, met behulp van continue koolstofvezels, kan worden toegepast op een reeks structurele elementen in de lucht- en ruimtevaart, net als in andere hoogwaardige sectoren. Moderne vliegtuigen gebruiken vaak koolstofvezelversterkte polymeer (CFRP) sandwichconstructies voor hun liften, roeren en stuurbladen als vluchtbesturingsoppervlakken.

6. Hoogwaardige polymeren

Hoogwaardige polymeren, zoals PEI (ULTEM), PEEK, PEKK en PPSU, vertonen mechanische opmerkelijke eigenschappen en weerstand tegen hoge temperaturen in vergelijking met veel standaardpolymeren die gewoonlijk in technische toepassingen worden gebruikt. Polymeren zoals nylon, ABS (acrylonitril-butadieen-styreen) of polyethyleen zijn aanzienlijk kwetsbaarder onder belasting en hitte. Door discontinue koolstofvezels te combineren met het hoogwaardige polymeer PEKK ontstaat een composietmateriaal met sterk verbeterde eigenschappen. 

7. Keramische composieten

Keramische composieten zijn steeds meer beschikbaar voor additieve productieprocessen, maar de acceptatie ervan verloopt traag vanwege een beperkte kennisbasis, buiten de specialistische gebieden. Hun voordelen zijn aanzienlijk:grote taaiheid, hardheid en uitzonderlijke weerstand tegen hoge temperaturen, waardoor ze ideaal zijn voor extreem veeleisende lucht- en ruimtevaarttoepassingen. Keramische onderdelen die zijn geprint met behulp van additieve productie hebben een groot potentieel voor de lucht- en ruimtevaartsector en bieden een laag gewicht, hoge sterkte en grote milieubestendigheid, maar noodzakelijkerwijs beperkende veiligheidscertificeringen zijn tijdrovend en worden tot nu toe nog niet behaald. Hoewel technieken als IJP en 3DP poreuze materialen opleveren, zijn er weinig geschikte oppervlaktebehandelingen en afdichtingsmiddelen. Raadpleeg onze gids over Wat is keramiek voor meer informatie.

8. Invar®

Invar is een ongebruikelijke nikkel-ijzerlegering die bekend staat om zijn extreem lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Dit maakt het ideaal voor toepassingen die dimensionale stabiliteit vereisen onder zeer variabele temperatuuromstandigheden, welke eigenschap wordt overgedragen bij additieve vervaardiging. Deze unieke eigenschap maakt het van onschatbare waarde in verschillende industrieën, waaronder de lucht- en ruimtevaarttechniek. Het innovatieve gebruik van Invar bij 3D-printen is een baanbrekende aanpak die zich nog in de experimentele fase bevindt, met de belofte verbeterde mogelijkheden te bieden op het gebied van dimensionale controle en stabiliteit.

9. Tantaal

In de lucht- en ruimtevaartsector wordt tantaal gebruikt in kritieke onderdelen die onderhevig zijn aan zowel hoge temperaturen als hoge spanningen. De weerstand tegen hete corrosie van tantaal is vooral voordelig in lucht- en ruimtevaarttoepassingen, waar blootstelling aan uitlaatgassen, heet vocht en snel variërende temperaturen gebruikelijk is in gasturbines. Tantaal is, samen met andere vuurvaste metalen, buitengewoon moeilijk op traditionele wijze te verwerken, maar additieve productie ondervangt deze uitdagingen. Specifieke toepassingen zijn onder meer:turbinebladen, straalpijpsegmenten voor de voortstuwing van satellieten en componenten voor hypersonische vluchten.

10. Kobalt-chroomlegeringen

Kobalt-chroomlegeringen worden gebruikt vanwege hun goede combinatie van eigenschappen:hoge sterkte, slijtvastheid en biocompatibiliteit. Ze worden steeds vaker aangetroffen in lucht- en ruimtevaarttoepassingen, vooral in onderdelen van gasturbinemotoren, vanwege hun vermogen om hoge temperaturen en snel variërende mechanische spanningen te weerstaan. Kobalt-chroomlegeringen worden in de ruimtevaartcontext gebruikt voor motoronderdelen, structurele onderdelen van vliegtuigen, raketmotoronderdelen en hitteschilden. Raadpleeg onze gids over superlegeringen voor meer informatie.

Moeten 3D-geprinte structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart aan wettelijke normen voldoen?

Ja. Voordat ze in vliegtuigen kunnen worden gebruikt, moeten 3D-geprinte structurele componenten uit de lucht- en ruimtevaart FAA- of EASA-goedgekeurd zijn, na rigoureuze tests. De sector geeft noodzakelijkerwijs hoge prioriteit aan betrouwbaarheid en veiligheid voor het behoud van mensenlevens (en apparatuur), dus deze componenten moeten strenge test- en validatieprocedures ondergaan. Regelgevende instanties zoals de Federal Aviation Administration (FAA) en de European Union Aviation Safety Agency (EASA) hebben strenge controles ingevoerd. Deze normen garanderen de veilige en betrouwbare werking van vliegtuigen.

Wat is de toekomst van het 3D-printen van structurele componenten in de lucht- en ruimtevaart?

Het gebruik van additieve productie in de lucht- en ruimtevaartindustrie bevindt zich op een groeipad. Fabrikanten uit de lucht- en ruimtevaart schakelen geleidelijk een aantal dragende componenten en onderdelen voor hete gebieden over van traditioneel gieten naar 3D-printen, ondanks de huidige prijsimplicaties voor dit jonge, dure aanbod. De groei van de penetratie en de vraag naar additieve productietechnologie blijft zich in de sector ontwikkelen. Verwacht wordt dat het gebruik van 3D-printen in de lucht- en ruimtevaart de komende periode zal toenemen als gevolg van ontwikkelingen in de printtechnologie die de prestaties verbeteren en de prijzen verlagen. Raadpleeg onze handleiding over hoe een 3D-printer werkt voor meer informatie.

Hoe verschilt het 3D-printen van structurele onderdelen in de lucht- en ruimtevaart van traditionele productie?

Het proces en de materialen die worden gebruikt bij het 3D-printen van structurele componenten voor de lucht- en ruimtevaart zijn een wereld apart van die gebruikt in de traditionele productie. 3D-printen maakt gebruik van additieve technieken om onderdelen laag voor laag op te bouwen op basis van een digitaal model, in tegenstelling tot subtractieve processen zoals machinale bewerking of processen uit één stuk zoals gieten. Complexe geometrieën, sterk verminderd afval en flexibele ontwikkelings-/testcycli in het ontwerp worden hierdoor mogelijk gemaakt. Talloze materialen hebben het potentieel om 3D-geprint te worden als alternatief voor het ondergaan van bewerkings-, vorm- of gietprocedures.

Kat de Naoum

Kat de Naoum is een schrijver, auteur, redacteur en contentspecialist uit Groot-Brittannië met meer dan 20 jaar schrijfervaring. Kat heeft ervaring met schrijven voor verschillende productie- en technische organisaties en houdt van de wereld van engineering. Naast schrijven was Kat bijna tien jaar juridisch medewerker, waarvan zeven jaar in de scheepsfinanciering. Ze heeft voor veel publicaties geschreven, zowel print als online. Kat heeft een BA in Engelse literatuur en filosofie, en een MA in creatief schrijven aan de Kingston University.

Lees meer artikelen van Kat de Naoum