Imprimarea 3D în industria aerospațială: aplicații, materiale și tendințe

Imprimarea 3D în industria aerospațială nu este utilizată doar pentru realizarea rapidă a prototipurilor, ci și pentru fabricarea sculelor de producție, a dispozitivelor de fixare pentru inspecție, a pieselor de schimb, a componentelor pentru cabină și a unor piese critice, pregătite pentru utilizare în zbor. Tehnologia este deosebit de valoroasă atunci când producătorii au nevoie de componente în serii mici, geometrii complexe, termene de livrare mai scurte sau piese rezistente și mai ușoare.

 

Producătorii din industria aerospațială s-au numărat printre primii care au adoptat fabricația aditivă. Astăzi, tehnologia susține activități din toate etapele ciclului de viață al unei aeronave: dezvoltare, producție, mentenanță, reparații și revizie generală.

 

Soluțiile moderne de imprimare 3D pentru industria aerospațială pot fabrica atât piese din materiale compozite, cât și piese metalice. Procesul potrivit depinde de aplicație, mediul de operare, volumul de producție, cerințele privind materialele și traseul de calificare.

 

Cum este utilizată imprimarea 3D în industria aerospațială?

Companiile din industria aerospațială utilizează cel mai frecvent fabricația aditivă pentru:

  • Prototipuri rapide și piese substitutive
  • Șabloane, dispozitive de fixare, ghidaje de găurire și calibre de inspecție
  • Componente pentru mentenanță și piese de schimb
  • Piese personalizate pentru cabină și cockpit
  • Producție în serii mici
  • Componente ușoare din materiale compozite
  • Componente pentru drone și vehicule aeriene fără pilot (UAV), inclusiv cadre, carcase, console și suporturi pentru sarcina utilă
  • Piese metalice complexe
  • Integrarea mai multor piese într-o singură componentă și simplificarea asamblării

 

Nu orice aplicație aerospațială necesită o componentă destinată utilizării în zbor. În multe cazuri, cele mai importante economii imediate provin din scule, dispozitive de fixare, prototipuri și auxiliare de fabricație care rămân în incinta fabricii.

 

De ce utilizează producătorii din industria aerospațială fabricația aditivă?

Prototipare și dezvoltare mai rapide

Componentele aerospațiale tradiționale pot necesita prelucrări mecanice specializate, scule personalizate și cicluri lungi de aprovizionare. Fabricația aditivă le permite inginerilor să treacă de la un model CAD la o piesă fizică în câteva ore sau zile, în loc de săptămâni.

O componentă substitutivă imprimată poate permite continuarea asamblării unei aeronave în timp ce piesa metalică finală este încă în producție. Cartea albă despre industria aerospațială descrie un carenaj temporar care a permis continuarea lucrărilor la puntea de zbor în timpul termenului de livrare de aproximativ patru luni pentru componenta metalică permanentă.

Producție rentabilă în serii mici

În industria aerospațială sunt necesare frecvent serii mici, piese unicat și componente puternic personalizate. Aceste cantități pot fi costisitor de realizat prin prelucrare mecanică, turnare sau metode tradiționale de fabricare a sculelor pentru materiale compozite.

Prin urmare, procesul este potrivit pentru piese de schimb, interioare personalizate de aeronave, aeronave experimentale, componente pentru drone și UAV fabricate în serii mici și echipamente specializate pentru misiuni.

Piese ușoare și rezistente

Reducerea greutății unei aeronave poate contribui la eficiența consumului de combustibil, la creșterea capacității de încărcare și la îmbunătățirea performanței generale a aeronavei. Fabricația aditivă le permite inginerilor să elimine materialul în exces prin utilizarea umplerii interne, optimizării topologice, integrării mai multor piese într-o singură componentă și a materialelor compozite armate.

Dezvoltarea UAV-urilor este, de asemenea, potrivită pentru acest flux de lucru. Inginerii pot itera asupra cadrelor, carcaselor, suporturilor pentru sarcina utilă și altor componente personalizate fără să creeze scule dedicate pentru fiecare modificare de proiectare.

Tehnologia Markforged de imprimare 3D cu fibră continuă integrează fibre continue în interiorul unei piese termoplastice. În cazul proiectelor adecvate, aceste piese pot asigura un raport rezistență/greutate comparabil cu cel al aluminiului, având o greutate considerabil mai mică decât componentele metalice echivalente.

Pentru mai multe detalii, aflați cum producătorii înlocuiesc piesele din aluminiu cu piese imprimate 3D din fibră de carbon.

 

Reducerea dependenței de furnizori externi

Piesele pot fi imprimate mai aproape de locul în care sunt utilizate, în loc să fie fabricate la distanță și transportate printr-o rețea lungă de furnizori.

Pentru echipele de mentenanță, acest lucru poate reduce timpul în care aeronava rămâne imobilizată în așteptarea unei componente de schimb. Fișierele digitale pot fi, de asemenea, stocate, iar piesele pot fi produse la nevoie, reducând necesitatea de a păstra în stoc fizic fiecare piesă fabricată în serii mici.

 

Aplicații ale imprimării 3D în industria aerospațială

Prototipuri rapide și piese substitutive

Prototipurile aerospațiale trebuie adesea să reproducă forma, potrivirea și caracteristicile de asamblare ale piesei finale. Imprimantele performante pentru materiale compozite pot realiza prototipuri funcționale suficient de rezistente pentru manipulare, teste de instalare și iterații de proiectare.

Exemple:

  • Carenaje și capace
  • Feronerie pentru uși și ferestre
  • Console și suporturi
  • Componente pentru panoul de instrumente
  • Conducte și carcase
  • Piese substitutive la scară reală pentru verificarea asamblării

 

Imprimarea acestor piese poate reduce și timpul pe care operatorii de prelucrare mecanică îl alocă prototipurilor inițiale. Aceștia se pot concentra asupra producției cu toleranțe strânse, în timp ce inginerii imprimă succesiv variantele de proiectare.

 

Scule, șabloane și dispozitive de fixare pentru industria aerospațială

Fabricarea sculelor este una dintre cele mai consacrate aplicații ale fabricației aditive în industria aerospațială.

Exemple uzuale:

  • Șabloane de găurire
  • Calibre de control
  • Dispozitive de fixare pentru mașini de măsurat în coordonate (CMM)
  • Scule de formare
  • Dispozitive de fixare pentru sudare
  • Auxiliare de asamblare
  • Bacuri moi
  • Dispozitive de fixare a pieselor în timpul prelucrării

 

Sculele aerospațiale necesită frecvent suprafețe complexe sau conforme. Prelucrarea mecanică a acestor geometrii poate necesita un bloc mai mare de material brut, programare extinsă și un timp considerabil de utilizare a mașinii. O sculă imprimată 3D poate fi adesea fabricată direct cu geometria finală, fără costuri suplimentare cauzate de complexitate.

Fibra continuă de carbon poate consolida sculele care necesită rigiditate suplimentară sau rezistență la încovoiere.

 

Mentenanță, reparații, revizie generală și piese de schimb

Furnizorii de servicii de mentenanță, reparații și revizie generală trebuie să deservească aeronave care pot rămâne în exploatare zeci de ani. Sculele originale se pot pierde, furnizorii pot înceta să existe, iar anumite componente pot fi dificil de procurat în condiții economice.

Fabricația aditivă poate ajuta la reproducerea unor piese de schimb adecvate sau a sculelor necesare pentru fabricarea acestora. De asemenea, poate susține producția în serii mici, fără ca o organizație să fie nevoită să refacă scule vechi costisitoare.

Aplicații posibile:

  • Console și cleme
  • Capace și componente de protecție
  • Elemente pentru gestionarea cablurilor
  • Adaptoare personalizate
  • Plăcuțe filetate de schimb
  • Scule de mentenanță
  • Auxiliare de instalare specifice unei aeronave

 

Instalarea la bordul aeronavei necesită în continuare evaluarea și aprobarea tehnică adecvate. Totuși, multe scule, piese substitutive și componente utilizate la sol pot aduce beneficii fără a intra în procesul de calificare pentru zbor.

 

Componente pentru cabină și cockpit

Interioarele aeronavelor necesită frecvent piese fabricate în serii mici, cu potrivire precisă, greutate redusă, finisaj de suprafață de calitate și proprietăți de rezistență la flacără.

Exemple:

  • Rame pentru ecrane
  • Carcase pentru unități de control
  • Componente pentru console
  • Panouri cu întrerupătoare
  • Console de montare
  • Mânere și butoane

 

Fabricația aditivă facilitează personalizarea acestor piese pentru diferite tipuri de aeronave sau cerințe ale clienților, fără a fi nevoie de scule dedicate pentru fiecare configurație.

 

Componente structurale și destinate utilizării în zbor

Producătorii din industria aerospațială califică treptat tot mai multe piese fabricate aditiv pentru utilizarea în zbor. Aplicațiile potrivite pot include componente pentru cabină, console, carcase, cleme, conducte și piese structurale care nu sunt critice.

Calificarea depinde de piesa specifică, material, sistemul de fabricație, condițiile de încărcare, mediul de operare și cerințele de reglementare aplicabile. Faptul că un material este descris ca fiind potrivit pentru industria aerospațială nu înseamnă automat că orice componentă imprimată din acel material este aprobată pentru zbor.

 

Ce materiale se utilizează pentru imprimarea 3D în industria aerospațială?

Fabricația aditivă în industria aerospațială utilizează atât materiale compozite, cât și materiale metalice.

 

Termoplastice de înaltă performanță

Polimerii de înaltă performanță sunt utilizați pentru piese care necesită greutate redusă, rezistență la temperatură, rezistență chimică, rezistență la flacără sau stabilitate dimensională.

Filamentul ULTEM 9085 este un termoplastic PEI utilizat frecvent pentru interioarele aeronavelor datorită caracteristicilor sale privind flacăra, fumul și toxicitatea. Poate fi utilizat pentru piese precum console, mânere, butoane, panouri interioare și carcase.

Materialele pe bază de PEKK pot fi selectate pentru aplicații la temperaturi mai ridicate, rezistență chimică și cerințe privind degazarea redusă.

Notă: Înainte de a include o referință directă la produs sau un link intern, confirmați disponibilitatea actuală și denumirea preferată a produsului pentru Vega.

 

Materiale compozite ignifuge

Onyx FR este un material din nailon umplut cu fibră de carbon tocată, cu proprietăți ignifuge, conceput pentru aplicații în care performanța la inflamabilitate este importantă.

Varianta FR-A, cu trasabilitate, poate fi utilizată împreună cu Continuous Carbon Fiber FR-A pentru fabricarea unor piese mai rezistente, asigurând în același timp documentația și trasabilitatea materialelor necesare în industria aerospațială.

 

Fibră continuă de carbon

Continuous Carbon Fiber conferă rigiditate și rezistență de-a lungul unor trasee definite de utilizator în interiorul unei componente imprimate.

Inginerii pot consolida pereții exteriori, orificiile, traseele de preluare a sarcinii și anumite zone supuse la solicitări ridicate, fără a fabrica întreaga componentă din material solid. Astfel, performanța piesei poate fi îmbunătățită, controlând în același timp consumul de material și greutatea.

 

Metale pentru industria aerospațială

Fabricația aditivă metalică este utilă atunci când aplicația necesită proprietăți specifice metalelor, precum performanță la temperaturi ridicate, rezistență la uzură, conductivitate sau compatibilitate cu ansamblurile metalice existente.

Materialele metalice utilizate frecvent în fabricația aditivă aerospațială includ oțeluri inoxidabile, oțeluri pentru scule, superaliaje pe bază de nichel, titan, aluminiu și cupru. Ghidul Markforged despre materialele pentru imprimarea 3D metalică oferă o comparație mai amplă.

Fabricația aditivă cu materiale compozite și cea cu metale nu trebuie considerate interschimbabile. Fabricația aditivă cu materiale compozite este adesea potrivită pentru scule, dispozitive de fixare, prototipuri, piese pentru cabină și componente ușoare. Fabricația aditivă metalică este mai potrivită atunci când aplicația necesită în mod fundamental proprietăți metalice.

 

Pot fi certificate piesele aerospațiale imprimate 3D?

Da, însă certificarea și aprobarea se referă la piesa completă și la procesul de fabricație, nu doar la imprimantă.

 

Calificarea poate necesita documentație și teste privind:

  • Trasabilitatea materialului
  • Proprietățile mecanice
  • Performanța privind flacăra, fumul și toxicitatea
  • Expunerea la temperatură
  • Rezistența la substanțe chimice și fluide
  • Expunerea la radiații UV
  • Vibrațiile
  • Precizia dimensională
  • Repetabilitatea procesului de fabricație
  • Înregistrările inspecțiilor

 

Pentru aplicațiile din interiorul cabinei pot fi relevante cerințe precum 14 CFR 25.853. Producătorii pot utiliza și date despre materiale dezvoltate prin programe precum National Center for Advanced Materials Performance.

Materialele cu trasabilitate includ, în general, documentație care identifică lotul de material, istoricul fabricației și rezultatele testelor. Certificatele de conformitate și certificatele de analiză pot ajuta la demonstrarea faptului că piesele sunt fabricate din material cu caracteristici constante.

Inspecția digitală poate susține, de asemenea, fluxurile de lucru pentru calificare. Software-ul Eiger de la Markforged și platforma conectată Digital Forge ajută la centralizarea pregătirii lucrărilor de imprimare, a înregistrărilor de producție și a datelor de fabricație.

 

Ce ar trebui să aibă în vedere echipele aerospațiale când aleg o imprimantă 3D?

Nu există o singură imprimantă 3D potrivită pentru toate aplicațiile aerospațiale. Sistemul adecvat depinde de ceea ce trebuie să producă organizația.

Criterii importante de evaluare:

  • Precizia dimensională și repetabilitatea
  • Materialele disponibile, inclusiv cele de calitate aerospațială
  • Capacitatea de lucru la temperaturi ridicate
  • Armarea cu fibră continuă
  • Volumul de construcție
  • Viteza de producție
  • Trasabilitatea materialului
  • Inspecția în timpul procesului
  • Securitatea software-ului și controlul accesului
  • Cerințele privind operatorii și spațiul de lucru
  • Disponibilitatea datelor despre materiale și procese
  • Compatibilitatea cu piese din materiale compozite, polimeri sau metale

 

În portofoliul Markforged:

  • FX20 este potrivită pentru piese compozite și scule de format mare, destinate utilizării la temperaturi ridicate.
  • FX10 permite fabricarea precisă a sculelor compozite, dispozitivelor de fixare și prototipurilor, precum și armarea cu fibră continuă.
  • Cu FX10 Metal Kit, pot fi imprimate la locul de utilizare aplicații care necesită proprietăți metalice, precum rezistență la uzură, conductivitate sau performanță la temperaturi ridicate.

 

Aplicația trebuie să determine alegerea imprimantei, nu invers.

 

Tendințe de urmărit în imprimarea 3D pentru industria aerospațială

Utilizare extinsă dincolo de prototipare

Imprimarea 3D în industria aerospațială depășește tot mai mult etapa prototipurilor vizuale și este utilizată pentru scule funcționale, producție în serii mici, mentenanță și reparații, precum și pentru piese finale calificate.

Prototiparea rămâne importantă, însă companiile caută tot mai des echipamente care să susțină mai multe etape ale procesului de fabricație.

 

Materiale mai bine trasabile și adaptate aplicației

Trasabilitatea materialelor și repetabilitatea procesului devin tot mai importante pe măsură ce producătorii urmăresc să califice mai multe aplicații pentru utilizarea în zbor.

Polimerii pentru temperaturi ridicate, materialele ignifuge, materialele compozite cu fibre continue și aliajele metalice calificate extind gama pieselor care pot fi luate în considerare pentru fabricația aditivă.

 

Inspecție digitală și înregistrări de producție

Inspecția este adesea una dintre cele mai îndelungate etape ale fabricației aerospațiale. Măsurarea în timpul procesului și înregistrările digitale centralizate pot ajuta echipele să identifice problemele mai devreme și să păstreze documentația pe întreaga durată de viață a unei componente.

Acest lucru este deosebit de important în industriile reglementate, unde înregistrările de fabricație trebuie să rămână accesibile ani de zile.

 

Integrarea mai multor piese

Combinarea mai multor componente într-o singură piesă imprimată poate reduce manopera de asamblare, numărul elementelor de fixare, complexitatea stocurilor și problemele cauzate de acumularea toleranțelor.

 

Mentenanță și reparații la locul de utilizare

Organizațiile de mentenanță din industria aerospațială evaluează fabricația aditivă ca metodă de producere a sculelor și componentelor de schimb adecvate mai aproape de aeronavă.

Acest lucru este relevant mai ales pentru flotele îmbătrânite, locațiile de mentenanță izolate, aviația militară și aeronavele care utilizează piese de schimb vechi, fabricate în serii mici.

 

Utilizarea complementară a fabricației aditive cu materiale compozite și metalice

Organizațiile aerospațiale nu trebuie să aleagă la nivelul întregii companii între fabricația aditivă cu materiale compozite și cea cu metale.

O imprimantă pentru materiale compozite poate fabrica scule ușoare, dispozitive de fixare și piese pentru cabină, în timp ce un sistem pentru metale poate produce componente care necesită rezistență la temperatură, rezistență la uzură sau alte proprietăți metalice. Cele două tehnologii răspund unor segmente diferite ale portofoliului de aplicații.

 

Exemple de imprimare 3D în industria aerospațială

Cartea noastră albă despre imprimarea 3D cu materiale compozite pentru industria aerospațială include mai multe exemple de utilizare a fabricației aditive în medii de producție aerospațială.

 

Întrebări frecvente despre imprimarea 3D în industria aerospațială

Cum este utilizată imprimarea 3D în industria aerospațială?

Companiile aerospațiale utilizează imprimarea 3D pentru prototipuri, scule, șabloane, dispozitive de fixare, calibre de inspecție, componente pentru mentenanță și reparații, interioare de cabină, producție în serii mici și anumite piese destinate utilizării în zbor. Tehnologia este deosebit de valoroasă când volumele mici de producție, personalizarea, proiectele complexe sau termenele lungi de fabricație convențională fac ca metodele tradiționale să fie ineficiente.

Care sunt avantajele imprimării 3D în industria aerospațială?

Printre principalele avantaje se numără termenele de livrare mai scurte, costurile reduse pentru scule, diminuarea deșeurilor de material, proiectarea unor piese mai ușoare, integrarea mai multor componente, producția în serii mici, prototiparea mai rapidă și fabricarea la locul de utilizare.

Care este cea mai bună imprimantă 3D pentru piese aerospațiale?

Sistemul potrivit depinde de aplicație. Pentru scule compozite de mari dimensiuni și piese din polimeri destinate utilizării la temperaturi ridicate poate fi necesară o imprimantă precum FX20. Sculele și dispozitivele de fixare mai mici, armate cu materiale compozite, pot fi potrivite pentru FX10 sau X7. Pentru piesele metalice poate fi necesar un sistem sau un proces de fabricație aditivă metalică.

Pot înlocui piesele imprimate 3D din fibră de carbon piesele din aluminiu?

Da. În aplicații adecvate, piesele armate cu fibră continuă de carbon pot oferi rezistență și rigiditate comparabile cu cele ale aluminiului, la o greutate mai mică. Înainte de înlocuirea unei componente metalice trebuie luate în considerare proiectarea, amplasarea fibrelor, direcția solicitărilor, temperatura și mediul de operare.

 

De la concept la zbor: fabricarea pieselor aerospațiale

Fabricația aditivă aerospațială nu se mai limitează la modele conceptuale. În prezent, aceasta susține prototipuri funcționale, scule de producție, dispozitive de fixare pentru inspecție, componente personalizate pentru cabină, aplicații de mentenanță și reparații, precum și o gamă tot mai largă de piese finale calificate.

 

Cele mai reușite programe aerospațiale pornesc de la o aplicație clar definită. Înainte de a selecta o imprimantă sau un proces, producătorii trebuie să evalueze cerințele piesei, proprietățile materialului, volumul de producție, necesitățile de inspecție și traseul de calificare.

Markforged combină sisteme de imprimare cu materiale compozite și metalice, materiale de înaltă performanță, armare cu fibre continue și software conectat pentru a susține fabricarea pieselor aerospațiale, de la operațiunile din fabrică până la anumite aplicații calificate pentru utilizarea în zbor.

Pentru mai multe informații:

Contactați-ne