Hoe 3D-printen de luchtvaart en defensie revolutioneert

Ze zijn misschien nog geen kritieke-vluchthardware, maar 3D-geprinte onderdelen voor commerciële en militaire vliegtuigen en ruimtevaartuigen maken het makkelijker om gewicht en materiaalkosten te verlagen. Vertaling: Er is ROI hier voor zeer specifieke use cases – en functionele winst door de besparingen goed te benutten.

Additieve productie heeft een heldere toekomst. Maar hoe helder zal het zijn voor de luchtvaart- en defensie-industrie? We verkennen hoe 3D-geprinte onderdelen vandaag de dag een impact maken – en kijken naar enkele beperkingen.

We spraken met engineering experts bij 3D Systems en 3DDirections om te ontdekken waar additieve productie en 3D-printen in luchtvaart en defensie naartoe gaat. Maar eerst, laten we kijken naar de evolutie van de industrie in deze levendige verticale.

De geschiedenis van 3D-printen en additieve onderdelen voor luchtvaart en defensie

De luchtvaart- en defensie-industrie, met name het Amerikaanse leger, was een vroege adopter van 3D-geprinte onderdelen, maar voornamelijk voor testen en simulatie omdat de brand- en toxiciteitswaarden van kunststoffen niet op een par stonden met metalen voor vlucht – zowel in de ruimte als boven de wolken.

Deze testonderdelen werden meestal gebruikt in drones en satellieten, legt Bryan Newbrite, applicatie-engineer bij 3D Systems, uit. Tussen 2008 en 2013 werden additief gemaakte kunststoffen zoals Bluestone gebruikt in testen voor dingen zoals windtunnels en in afvoerkanaaldelen, maar keramische harsen werden ook voor simulaties gebruikt.

Deze use cases waren goed voor het nabootsen van de windstroom. Deze onderdelen werden nooit met mensen gebruikt. Voor deze tijdperk, in de midden jaren '90, werden enkele 3D-onderdelen gebruikt voor snelle gietwerk.

Dingen begonnen te veranderen rond 2007 tot 2013.

"De grootste verandering in de luchtvaartsector was eigenlijk de ontwikkeling van vlamvertragende selectieve lasersintering", zegt Newbrite. "Het is een van de paar dingen die je begon te vinden in gebruik in de commerciële luchtvaart... Eigenlijk nam het nylon 12 of nylon 11 en voegde vlamvertragers toe zodat het vlamtesten zou doorstaan."

Dit was significant omdat het betekende dat het materiaal enige warmte kon aanhouden zonder vlam te vatten – en zichzelf snel kon doven zonder giftige rookgassen af te geven.

Het werd eerst in satellieten gebruikt. De hoofdoorzaak? Return on investment.

"Het kost $40.000 tot $50.000 per kilogram om een satelliet in geostationaire baan te brengen", zegt Newbrite. "Dus als je een structurele beugel of een intern lid van een satelliet kunt ontwerpen en een paar kilogrammen kunt afschaven, dan wordt de daadwerkelijke toegevoegde kosten van het bouwen ervan uit additieve productie meer dan gedekt."

Een cruciale moment in de geschiedenis van 3D-printen in de luchtvaart: GEs LEAP-motor brandstofspruitstuk

Een van de meest opvallende additieve onderdelen gemaakt voor commerciële luchtvaart was een 3D-geprint brandstofspruitstuk door GE, voor de LEAP-motor. Het is een schitterend voorbeeld van hoe de inspanningen van onderzoek en ontwikkeling tot vrucht komen – en veel aandacht trekken voor innovatie.

"De manier waarop GE succesvol was in dit project was dat ze gewoon brute force moesten gebruiken om het te laten gebeuren, wat betekende dat ze duizenden en duizenden van deze spruitstukken bouwden om ze te kunnen kwalificeren als levensvatbare onderdelen die geprint kunnen worden", legt Chris Barrett, president en oprichter van 3DDirections, een additieve productie consultant en mechanisch engineering expert, uit.

Barrett werkt voor Universal Technology Corporation als onderzoekswetenschapper en is een Ph.D.-kandidaat aan de Youngstown State University in Ohio.

"De manier waarop ze het vroeger moesten maken is eigenlijk tonnen lagen folie van verschillende typen samengeperst", zegt Barrett. "En dat was de enige manier om de complexiteit te krijgen die het nodig had. Voor de 3D-versie gebruikte het dezelfde gelaagde benadering, maar stel je voor het handmatig te doen."

Volgens GE zijn de 3D-geprinte spruitstukken "vijf keer duurzamer dan het vorige model" en de additieve benadering "liet ingenieurs een simpeler ontwerp gebruiken dat het aantal braseringen en lassen van 25 naar slechts vijf reduceerde."

Een gemeenschappelijk thema in 3D-printen en additieve productie: De reductie van onderdelen, stappen of gewicht

Zowel Barrett als Newbrite wijzen erop dat de meeste 3D-geprinte onderdelen voor luchtvaart en defensie vandaag de dag niet vlucht-kritiek zijn. Ondanks GE's uitstapje met brandstofspruitstukken, is hoge-volume productie een kwestie.

"In de loop van de tijd ben ik er zeker van dat de additieve technologieën en benaderingen op een par zullen komen", zegt Newbrite. "Maar kostenmatig zie je er nu echt niet zoveel in productie. De grote commerciële vliegtuigen zijn erg efficiënt geworden. Echt, de meeste use cases nu zijn zwaar gericht op militair, drones, bemanningsloze vliegtuigen en satellieten, waar gewicht echt telt."

Traditionele productiemethoden met geavanceerde en precisie CNC-machines zullen de industrie blijven domineren omdat ze de meest kosteneffectieve blijven.

"Het is meestal 10 tot 100 keer de kosten van traditioneel", zegt Barrett. "Dus het moet een 10 tot 100 keer verbetering tonen als onderdeel aan het eind van de dag."

Toch zijn er enkele toepassingen in gebruik vandaag, en veel anderen die worden geëvalueerd. De grote commerciële en defensie OEMs waaronder Boeing, Airbus, Honeywell, GE en Lockheed Martin investeren zwaar in additieve productieonderzoek.

Barrett wijst naar een ander R&D-project van GE dat probeerde de meeste onderdelen van een vliegtuigmotor te printen – een geavanceerde turboprop, of ATP – en succesvol was met titanium superlegeringen.

"GE nam een motor die gemaakt was van 855 onderdelen en bracht het terug naar ongeveer 12", zegt Barrett. "Ze zijn in staat geweest het gewicht van de motor met 100 pond te verlagen en de brandstofefficiëntie met 20 procent te verhogen."

Bekijk alle 3D-geprinte componenten van GEs ATP-motor. Bron: GE

De gewichtsreductie maakte ook een 10 procent toename in vermogen mogelijk ten opzichte van de voorganger. Deze motor is gepland om in productie te rollen voor Textron Aviation's Cessna Denali vliegtuig.

Heb je een technische vraag? Vraag het MSC Metalworking Tech Team op het forum.

3D-printen voor luchtvaart en defensie: MRO en reserveonderdelen

Een van de meer interessante use cases voor 3D-printen is het maken van reserveonderdelen voor legacy-vliegtuigen, zoals die gevonden op C-130s en B-52s. De vliegtuigen zijn ouder maar nog steeds in gebruik voor het vervoeren van vracht en troepen – en hun onderdelen worden steeds moeilijker te vervangen, legt Barrett uit.

Het probleem? Vliegtuigen kunnen voor langere periodes gegrounded zijn – soms voor verschillende jaren vanwege een gebrek aan reserveonderdelen. Sommige van deze vliegtuigen dateren van 50 jaar geleden, en bedrijven maken geen onderdelen meer voor ze – of ze zijn uit business gegaan. Bedrijven die bereid zijn reserveonderdelen te maken, kunnen er jaren over doen om ze te voltooien.

"Toen we begonnen met onderzoeken, vonden we dat sommige van deze onderdelen, omdat ze in het vliegtuig zaten en al die decennialang zijn geschud, zijn uitgerekt en vervormd zoals het vliegtuig zich heeft uitgerekt en vervormd", zegt Barrett. "Dus elk onderdeel is een beetje anders, want de 90-graden bocht nu is niet meer 90 graden, het kan 85 graden zijn. Nou, ik kan geen enkele gietvorm maken die rekening houdt met al deze verschillen. Dus het maakt een perfect case voor 3D-printen."

Bedrijven zoals 3D Systems en anderen kunnen maatwerk onderdelen maken voor elk vliegtuig door 3D-scanners op een vliegtuig te brengen, digitale bestanden te maken en elk onderdeel te printen dat op maat is gemaakt om de vorm en geometrie van dat onderdeel in zijn huidige staat te passen.

Zie MRO en reserveonderdelen worden gemaakt voor legacy-militaire vliegtuigen. Bron: 3D Systems

Dit legacy reserveonderdelenproject betreft een aantal publieke en private organisaties door een initiatief genaamd de Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment, of MAMLS, wat gefinancierd wordt door het Air Force Research Laboratory.

Een fabrikant die inroads heeft gemaakt met C-130 vliegtuigen is Metro Aerospace, een bedrijf dat op Better MRO op de 2018 International Manufacturing Technology Show gepresenteerd werd. Metro Aerospace levert microvane-onderdelen aan het leger. Microvanes zijn gemaakt van een lichtgewicht, non-corrosief, duurzaam polymere composiet dat glas en nylon kralen bevat.

Lees alles over de uitdagingen en productiesucces van Metro Aerospace in het artikel "How to Take a 3D-Printed Part to Market in Aerospace."

Ben je onder de indruk van een 3D-geprinte turboprop-motor? Praat met je collega's op het metalworking forum. [registratie vereist]