De verbazingwekkende evolutie van 3D-printen in de ruimtevaart en defensie

Misschien zijn ze nog niet essentieel voor vlieghardware, maar 3D-geprinte onderdelen voor commerciële en militaire vliegtuigen en ruimtevaartuigen maken het gemakkelijker om gewicht en materiaalkosten te verlagen. Vertaling:er is hier ROI voor zeer specifieke gebruiksscenario's - en functioneel voordeel van de besparingen die goed worden gebruikt.

Additive manufacturing heeft een mooie toekomst. Maar hoe rooskleurig zal het zijn voor de lucht- en ruimtevaart- en defensie-industrie? We onderzoeken hoe 3D-geprinte onderdelen vandaag de dag een impact hebben - en kijken naar enkele van de beperkingen.

We spraken met technische experts van 3D Systems en 3DDirections om erachter te komen waar additieve fabricage en 3D-printen in de lucht- en ruimtevaart en defensie naartoe gaan. Maar laten we eerst eens kijken naar de evolutie van de industrie in deze levendige branche.

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

De lucht- en ruimtevaart- en defensie-industrie, met name het Amerikaanse leger, was een early adopter van 3D-geprinte onderdelen, maar vooral voor testen en simulatie omdat de brand- en toxiciteitsclassificaties van kunststoffen niet overeenkwamen met die van metalen voor vluchten - zowel in de ruimte als daarboven de wolken.

Deze testonderdelen werden vooral gebruikt in drones en satellieten, legt Bryan Newbrite, applicatie-ingenieur bij 3D Systems, uit. Tussen 2008 en 2013 werden door additieven gemaakte kunststoffen zoals Bluestone gebruikt bij het testen van zaken als windtunnels en in leidingonderdelen, maar keramische harsen werden ook gebruikt voor simulaties.

Deze use-cases waren goed voor het nabootsen van de windstroom. Deze onderdelen zijn nooit bij mensen gebruikt. Vóór dit tijdperk, in het midden van de jaren negentig, werden enkele 3D-onderdelen gebruikt voor snelle gietstukken.

Dingen begonnen te veranderen rond 2007 tot 2013.

"De grootste verandering in de lucht- en ruimtevaartsector was eigenlijk de ontwikkeling van vlamvertragende selectieve lasersintering", zegt Newbrite. "Het is een van de weinige dingen die je begon te gebruiken in de commerciële luchtvaart ... In principe was nylon 12 of nylon 11 nodig en werden vlamvertragers toegevoegd zodat het de vlamtest zou doorstaan."

Dit was belangrijk omdat het betekende dat het materiaal enige warmte kon vasthouden zonder vlam te vatten - en zichzelf snel kon doven zonder giftige dampen af ​​te geven.

Het werd voor het eerst gebruikt in satellieten. De belangrijkste reden? Rendement op investering.

"Het kost $ 40.000 tot $ 50.000 per kilogram om een ​​​​satelliet in geostationair te plaatsen", zegt Newbrite. "Dus als je een structurele beugel of een intern lid van een satelliet kunt ontwerpen en een paar kilo kunt scheren, dan zijn de werkelijke extra kosten om het uit additieven te bouwen meer dan genoeg."

Een cruciaal moment in de geschiedenis van 3D-printen in de ruimtevaart:GE's LEAP Engine Fuel Nozzle

Een van de meest opvallende additieve onderdelen gemaakt voor de commerciële luchtvaart was een 3D-geprint brandstofmondstuk van GE, voor de LEAP-motor. Het is een lichtend voorbeeld van hoe de inspanningen van onderzoek en ontwikkeling tot wasdom komen en veel aandacht krijgen voor innovatie.

“De manier waarop GE in dit project succesvol was, was dat ze gewoon brute kracht moesten gebruiken om het voor elkaar te krijgen, wat betekende dat ze duizenden en duizenden van deze spuitmonden bouwden om ze te kwalificeren als levensvatbare onderdelen die kunnen worden geprint, ” legt Chris Barrett uit, president en oprichter van 3DDirections, een consultant voor additieve productie en werktuigbouwkundig expert.

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 eerder moesten maken, is in feite tonnen lagen folie van verschillende soorten die samengeperst zijn", zegt Barrett. “En dat was de enige manier waarop ze de complexiteit konden krijgen die het nodig had. Voor de 3D-versie gebruikte het dezelfde gelaagde aanpak, maar dan met de hand.”

Volgens GE zijn de 3D-geprinte mondstukken "vijf keer duurzamer dan het vorige model" en stelde de additieve benadering "ingenieurs in staat een eenvoudiger ontwerp te gebruiken dat het aantal soldeer- en lasnaden van 25 naar slechts vijf verminderde."

Een algemeen thema voor 3D-printen en additieve productie:de vermindering van onderdelen, stappen of gewicht

Zowel Barrett als Newbrite wijzen erop dat de meeste 3D-geprinte onderdelen voor ruimtevaart en defensie tegenwoordig niet vluchtkritiek zijn. Ondanks GE's inval met brandstofsproeiers, is productie in grote hoeveelheden een probleem.

"In de loop van de tijd ben ik er zeker van dat de additieve technologieën en benaderingen hun achterstand zullen inhalen", zegt Newbrite. “Maar qua kosten zie je er nu echt niet veel van in productie. De grote commerciële vliegtuigen zijn zeer efficiënt geworden. Echt, de meeste toepassingen zijn momenteel sterk gericht op het leger, drones, onbemande vliegtuigen en satellieten, waar gewicht er echt toe doet.”

Traditionele productiemethoden met geavanceerde en nauwkeurige CNC-machines zullen de industrie blijven domineren omdat ze het meest kosteneffectief blijven.

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

Toch zijn er tegenwoordig enkele toepassingen in gebruik en vele andere worden geëvalueerd. De grote commerciële en defensie-OEM's, waaronder Boeing, Airbus, Honeywell, GE en Lockheed Martin, investeren zwaar in onderzoek naar additive manufacturing.

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

"GE nam een ​​motor die was gemaakt van 855 onderdelen en bracht het terug tot ongeveer 12", zegt Barrett. "Ze waren in staat om het gewicht van de motor met 100 pond te verminderen en het brandstofverbruik met 20 procent te verhogen."

Bekijk alle 3D-geprinte componenten van GE's ATP-engine. Bron:GE

De gewichtsvermindering zorgde ook voor een toename van 10 procent in vermogen ten opzichte van zijn voorganger. Het is de bedoeling dat deze motor in productie gaat voor het Cessna Denali-vliegtuig van Textron Aviation.

 Wilt u een technische vraag beantwoorden? Vraag het MSC Metalworking Tech Team op het forum.

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

Een van de interessantere use-cases voor 3D-printen is het maken van reserveonderdelen voor oudere vliegtuigen, zoals die op C-130's en B-52's. De vliegtuigen zijn ouder, maar worden nog steeds gebruikt voor het vervoer van vracht en troepen - en hun onderdelen worden steeds moeilijker te vervangen, legt Barrett uit.

Het probleem? Vliegtuigen kunnen voor langere tijd aan de grond staan, soms voor meerdere jaren vanwege een gebrek aan reserveonderdelen. Sommige van deze vliegtuigen zijn 50 jaar oud en bedrijven maken er geen onderdelen meer voor - of ze zijn failliet gegaan. Bedrijven die reserveonderdelen willen maken, kunnen er jaren over doen om ze te voltooien.

"Toen we dit begonnen te onderzoeken, ontdekten we dat sommige van deze onderdelen, omdat ze in het vliegtuig hebben gezeten en al zoveel decennia zijn rondgeslagen, zijn uitgerekt en kromgetrokken, terwijl het vliegtuig is uitgerekt en kromgetrokken", zegt Barrett. “Dus elk onderdeel is een beetje anders, want de bocht van 90 graden is nu niet langer 90 graden, het kan 85 graden zijn. Nou, ik kan niet één gietvorm maken die al deze verschillen verklaart. Het is dus een perfecte case voor 3D-printen.”

Bedrijven zoals 3D Systems en anderen kunnen voor elk vlak aangepaste onderdelen maken door 3D-scanners in een vliegtuig te plaatsen, digitale bestanden te maken en elk onderdeel af te drukken op maat van de vorm en geometrie van dat onderdeel in de huidige staat.

Zie MRO en reserveonderdelen die worden gemaakt voor oudere militaire vliegtuigen. Bron:3D-systemen

Bij dit legacy-reserveonderdelenproject zijn een aantal openbare en particuliere organisaties betrokken via een initiatief genaamd Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment, of MAMLS, dat wordt gefinancierd door het Air Force Research Laboratory.

Een fabrikant die voet aan de grond heeft gekregen met C-130-vliegtuigen, is Metro Aerospace, een bedrijf dat te zien was op Better MRO op de International Manufacturing Technology Show 2018. Metro Aerospace heeft onderdelen van microvaan aan het leger geleverd. Microvanes zijn gemaakt van een lichtgewicht, niet-corrosief, duurzaam polymeercomposiet dat glas en nylon kralen bevat.

Lees alles over de uitdagingen en het productiesucces van Metro Aerospace in het artikel “ Een 3D-geprint onderdeel op de markt brengen in de lucht- en ruimtevaart .”

Ben je onder de indruk van een 3D-geprinte turbopropmotor? Praat met uw collega's op het metaalbewerkingsforum. [registratie vereist]