Леки метални 3D принтирани компоненти: Иновации в аерокосмическата индустрия

Метален 3D печат е напълно нов начин за производство на части за самолети. Той променя начина, по който произвеждаме леки, високопроизводителни части, които правят самолетите много по-ефективни, като същевременно намаляват експлоатационните разходи. Тази усъвършенствана технология за адитивно производство позволява на инженерите да създават сложни форми, които не могат да бъдат изпълнени с традиционните методи. Това спестява огромно количество тегло и прави конструкциите по-здрави от всякога. Авиационната индустрия разчита все повече на тези нови технологии, за да отговори на строги стандарти за полезен товар и икономия на гориво. С промяната на нуждите на авиацията по света, триизмерният печат направи леките метални части от съществено значение за проектирането на следващото поколение самолети. Тези части имат по-добри съотношения якост-тегло и могат да бъдат персонализирани по начини, по които традиционното производство не може.

Разбиране на 3D печатането с метал и неговата роля в аерокосмическата индустрия

Основната идея зад адитивното производство на метали е да се изграждат части слой по слой от специални метални прахове. То използва съвременни технологии, които са променили начина, по който се произвеждат самолетите. Директното лазерно синтероване на метали (DMLS), селективното лазерно топене (SLM) и електроннолъчевото топене (EBM) са най-известните методи. Всеки от тях има своите предимства за определени приложения на самолетите.

Основни технологии, трансформиращи аерокосмическото производство

В DMLS технологията се използват мощни лазери за внимателно сливане на метални прахообразни частици. Това създава плътни, полезни части с отлични механични качества. В сравнение с традиционните твърди конструкции, този метод е чудесен за създаване на сложни вътрешни пътища и леки мрежови структури, които намаляват теглото на частите с до 40%. Тъй като SLM технологията осигурява по-добри повърхностни обработки, тя е идеална за изработка на важни части за самолети, които не се нуждаят от много последваща обработка. Електроннолъчевото топене работи във вакуум, което го прави чудесен начин за производство на титанови сплави, които често се използват в самолетните приложения. Окислението не може да се случи във вакуумна среда, така че готовите части са с по-високо механично качество. Всички тези технологии работят заедно, за да позволят на производителите да изработват части със сложни форми, които не бяха възможни с традиционните методи на леене или рязане.

Материали от аерокосмически клас, движещи иновациите

Титаниевите метали, особено Ti-6Al-4V, се използват много в адитивно производство на самолети, защото са много здрави за теглото си и не ръждясват. Алуминиевите сплави, като AlSi10Mg, имат отлични термични качества и са по-леки, което ги прави подходящи за топлообмен и некритични структурни части. Суперсплавите Inconel работят много добре за части на двигатели и изпускателни системи, когато се нагряват до много високи температури. За да отговарят на аерокосмическите стандарти, тези специални материали преминават през много стъпки на тестване и одобрение. Проследимостта на материалите и методите за контрол на качеството гарантират, че всяка партида прах отговаря на строги стандарти за химичен състав и размер на частиците. Това гарантира, че частите се представят по един и същи начин през всички производствени цикли.

Иновации, движещи леки метални 3D принтирани компоненти

Новите технологии направиха адитивното производство на метали много по-полезно в самолетите, като значително разшириха възможностите и приложенията му. Тези подобрения са насочени най-вече към това да направят нещата по-точни, по-бързи и по-добри в това, от което са направени, като същевременно дават на дизайнерите повече начини да създават леки части, които работят по-добре.

Разширено материалознание и разработване на прахови материали

Металните прахове с аерокосмически клас вече имат нива на чистота, по-високи от 99.9%, и метален 3D печат ...и размерите на частиците се контролират внимателно, за да се осигури по-добро движение на праха и задържане на слоеве. Специализираните процеси за прах улесняват разпръскването му и спират окисляването, което придава на крайните части по-добри механични качества. Методите за газова атомизация създават кръгли частици с малко образуване на сателити. Това гарантира, че слоевете се отлагат равномерно и качеството на частите остава същото. Технологиите за възстановяване на прах са изминали дълъг път и сега производителите могат да използват повторно до 95% от материала, който не е бил синтерован, без да намаляват качеството. Тази нова разработка намалява значително разходите за материали, като същевременно отговаря на високите стандарти, необходими за използване в самолети. Съвременните методи за пресяване и откриване на замърсявания гарантират, че възстановените прахове отговарят на първоначалните изисквания.

Оптимизация на топологията и имплементация на решетъчна структура

Програми с изкуствен интелект се използват в съвременните инструменти за проектиране, за да намерят най-добрата форма за всяка част, така че тя да тежи по-малко, като същевременно остане здрава. Тези системи разглеждат моделите на напрежение и диапазоните на натоварване, като премахват ненужния материал и изграждат костоподобни, биологични структури с най-добри съотношения якост-тегло. Решетъчните структури са друга голяма крачка напред в технологиите. Те позволяват на инженерите да създават вътрешни опорни рамки, които са с 30–50% по-леки от плътните конструкции. Можете да променяте тези конструкции, за да отговарят на специални нужди от натоварване, за абсорбиране на удар или за управление на топлината. Различни форми и плътности на клетките се използват в усъвършенстваните решетъчни конструкции, за да се постигне най-добра производителност в различни зони на напрежение в рамките на един компонент.

Постижения в реалния свят

Казуси от големи производители на самолети показват, че производителността на компонентите се е подобрила по удивителен начин. Airbus успя да намали теглото на рамките на кабината с 55%, като същевременно отговаря на структурните стандарти. Това спести много гориво през целия живот на самолета. Boeing успя успешно да използва 3D-принтирани части за двигатели, което намали броя на частите от 850 отделни части до само 12 сглобени единици. Това направи обслужването много по-лесно и намали местата на повреда. Има ясни практически ползи от тези нови идеи. Например, авиокомпаниите казват, че самолети с много адитивно произведени части използват от 2 до 3 процента по-малко гориво. В течение на експлоатационния живот на самолета тези икономии на тегло водят до големи икономии на разходи и ползи за околната среда.

Сравняване на 3D печат върху метал с традиционните методи на производство

Инженерите и служителите по снабдяването могат да правят по-добър избор за това откъде да се снабдят с части и как да ги произведат, когато познават предимствата и недостатъците на адитивното производство на метали в сравнение с традиционните методи на производство.

Прецизност и възможности за персонализиране

Адитивното производство на метали може да постигне точност на размерите в рамките на ±0.1 мм за повечето приложения в самолетите. То може да се конкурира директно с прецизната CNC обработка, като същевременно ви дава повече свобода с формата на частите. За разлика от субтрактивното производство, адитивните процеси могат да създават вътрешни канали, подрязвания и сложни форми, без да са необходими множество комплекти или специални инструменти. В сравнение с леенето и коването, които изискват големи инвестиции в инструменти и ниски минимални количества за поръчка, персонализирането е голям плюс. Адитивното производство прави евтино производството на единични проби или малки партиди и... метален 3D печатпомага при бързи промени в дизайна и създаване на решения, които отговарят на нуждите на специфични модели самолети или мисии.

Скорост на производство и икономически съображения

При използване на традиционни начини на производство, като леене, може да отнеме седмици или месеци, за да се изработят необходимите инструменти, преди да започне производството. 3D печатът върху метал не изисква никакви инструменти, така че частите могат да бъдат изработени само дни след финализирането на плана. Това предимство на скоростта е особено полезно за изработка на прототипи, допълнителни части и специализирани части, които са необходими само в малки количества. Въз основа на сложността на детайла, икономическите изследвания показват, че адитивното производство е рентабилно само при производство на по-малко от 1,000 броя. Сложните форми, които биха изисквали скъпо многоосно рязане или сглобяване на много отливки, често са по-евтини за изработка с помощта на адитивни методи, дори когато се произвеждат само няколко наведнъж.

Насоки за избор на технологии за аерокосмически приложения

Технологиите за прахово леене в легло са чудесни за изработката на високопрецизни части с гладка повърхност, което ги прави идеални за части, критични за полетите, които не се нуждаят от много последваща обработка. Тези системи са добри в работата със сложни форми и поддържат строгите допуски, необходими за употреба в самолети. Технологиите за насочено енергийно леене работят по-добре за по-големи части, ремонти и части, изработени от повече от един материал. Тези системи могат да добавят материал към вече съществуващи части, което означава, че скъпите части на самолета могат да бъдат поправени, вместо да бъдат подменени напълно. Възможността за промяна на състава на материала, докато се печата, прави възможни функционално градирани материали, които са по-добри в задоволяването на определени нужди от производителност.

Анализи на обществените поръчки: Закупуване на леки метални 3D-принтирани компоненти за аерокосмическата индустрия

За да закупите успешно метални 3D принтирани части за аерокосмическо производство, трябва да знаете много за уменията на доставчиците, техните системи за качество и нуждите от одобрение. Специалистите по обществени поръчки трябва да разгледат много различни фактори, за да се уверят, че частите, които отговарят на строгите стандарти за полети, се доставят навреме.

Изисквания за оценка и сертифициране на доставчици

Доставчиците, които са квалифицирани, трябва да поддържат своя сертификат за управление на качеството в аерокосмическата индустрия AS9100, което показва, че те винаги могат да доставят части, отговарящи на аерокосмическите стандарти. Одобрението на NADCAP за методи на адитивно производство ви дава още по-голяма увереност във вашите технически умения и способност да контролирате процеса. Одитите на място на доставчиците трябва да проверяват уменията на персонала, системите за контрол на качеството и наличното оборудване. Напредналите доставчици поддържат редица платформи за адитивно производство, което позволява на клиентите да изберат най-добрия процес за нуждите на всяка част. Системите за обработка на материали, като тези, които съхраняват, преместват и рециклират прах, имат пряко влияние върху качеството на частите и тяхната цена.

Разбиране на структурата на разходите и оптимизиране на бюджета

Цените на материалите, машинното време, нуждите от последваща обработка и задачите за осигуряване на качеството са някои от нещата, които съставляват разходите за адитивно производство на метали. Разходите за материали обикновено съставляват от 20 до 30 процента от общата цена на дадена част. Машинното време, от друга страна, зависи от размера и сложността на частта, както и от това колко добре е изработена. Стъпките, необходими след производството, оказват голямо влияние върху общата цена. Например, термичната обработка, шлайфането и повърхностната обработка добавят от 30 до 50 процента към основната производствена цена. За да поддържат високи стандарти за качество, като същевременно намаляват разходите, екипите по снабдяване трябва да работят в тясно сътрудничество с продавачите, за да намерят най-добрата ориентация на частите, нуждите от носеща конструкция и спецификациите за последваща обработка. Някои стратегически начини за закупуване на неща са изграждането на дългосрочни взаимоотношения с надеждни източници, използването на общи поръчки за покупка на части, които се използват многократно, и съвместната работа по оптимизиране на дизайна, за да се опрости производството. В сравнение с методите за транзакционно закупуване, тези техники обикновено намаляват разходите с 15 до 25 процента.

Стратегии за контрол на качеството и смекчаване на риска

Аерокосмическите части изискват много качествена документация, като лицензи за използваните материали, настройки на процеса, записи за проверка на размерите и доказателства за механичните свойства. Доставчиците трябва да водят пълни записи за всички части, от партидата прах до готовия детайл. По този начин, ако има някакви проблеми с качеството, те могат да бъдат отстранени бързо. Управлението на риска може да се осъществи чрез одобряване на повече от един източник за важни части, запазване на резервни части от неща, чието получаване отнема много време, метален 3D печат, и сключване на ясни споразумения за качество с ясни критерии за приемане. Редовните прегледи на производителността на доставчиците гарантират, че те продължават да отговарят на стандартите за полети и намират начини за постоянно усъвършенстване.

Бъдещи тенденции и предизвикателства в 3D печатането на метали за аерокосмическата индустрия

Адитивното производство в самолетостроенето все още се променя бързо, като новите технологии и методи показват потенциал за още по-големи мощности и приложения. Бизнесът може да си осигури предимство пред конкуренцията в бъдеще, като разбере тези тенденции.

Нововъзникващи технологии и хибридно производство

Комбинирането на адитивни и субтрактивни процеси на една основа прави възможно производството на части както със сложни форми, така и с гладки, прецизно полирани повърхности. За сложни части за самолети тези системи намаляват обработката, подобряват точността и ускоряват производствените процеси. Използването на изкуствен интелект подобрява планирането на сглобяването, забелязва евентуални недостатъци и променя настройките на процеса автоматично, за да се поддържа високо качество. Техниките за машинно обучение разглеждат стари данни за сглобяване, за да намерят най-добрите набори от параметри за нови форми на части. Това ускорява разработката и увеличава броя на успешните първи постижения. Многоматериалният печат ви позволява да правите повече дизайни, защото ви позволява да отпечатвате части с различни качества по цялата си структура. Използването на функционално градирани материали за поставяне на високоякостни материали в области с голямо напрежение и по-леки материали в области с по-малко напрежение подобрява производителността.

Предизвикателства пред регулирането и сертифицирането

Регулаторните органи в аерокосмическата индустрия все още работят по изготвянето на насоки и методи за одобрение, специфични за адитивно производство. Федералната авиационна администрация и Агенцията за авиационна безопасност на Европейския съюз работят съвместно с авиационния бизнес, за да гарантират, че всички части, произведени чрез адитиви, отговарят на стандартите за безопасност. За да получите сертификат, трябва да покажете, че процесът може да се повтаря, да създадете записи за свойствата на материалите и да разработите методи за проверка на много сложни вътрешни форми. За да се справят с тези проблеми, методите за безразрушителен контрол непрекъснато се подобряват. Например, компютърната томография и усъвършенстваните ултразвукови методи показват обещаващи резултати при откриването на проблеми вътре в нещата.

Стратегически препоръки за приемане в индустрията

Аерокосмическите компании трябва да инвестират средства в изучаване на адитивното производство, като например обучение по оптимизация на дизайна и разбиране на процеса. Когато работите с квалифицирани доставчици, можете да получите достъп до нови умения, като същевременно намалите рисковете от капиталови инвестиции. Екипите, отговарящи за закупуването на артикули, трябва да изготвят планове за снабдяване с адитивно производство, които отчитат предимствата на технологията, като същевременно отговарят на специфични нужди, като по-дълги срокове за одобрение и по-специфични изисквания за контрол на качеството. Активната работа с доставчиците по време на процеса на планиране позволява оптимизация за адитивно производство, което спестява най-много тегло и пари.

Заключение

Метален 3D печат напълно промени начина, по който се произвеждат частите за самолети, което направи възможно намаляването на теглото, подобряването на дизайна и по-гъвкавото производство от всякога. Технологията позволява изработването на сложни геометрии, които не биха могли да бъдат направени със стандартни методи. В същото време тя спестява много тегло и прави нещата да работят по-добре. Аерокосмическите компании са под все по-голям натиск да използват по-малко гориво и да оказват по-малко влияние върху околната среда. Леките метални 3D-принтирани части са важни за проектирането на следващото поколение самолети. За да се възползват максимално от тези нови технологии във веригите си за доставки и да останат конкурентоспособни на постоянно променящия се аерокосмически пазар, служителите по снабдяването трябва да знаят за специфичните предимства и нужди на адитивното производство.

Често задавани въпроси

1. Кои метали се използват най-често в приложенията за 3D печат в аерокосмическата индустрия?

Титаниевите метали, особено Ti-6Al-4V, се използват много в самолетите, защото са много здрави за теглото си и не ръждясват. Алуминиевите сплави, като AlSi10Mg, имат отлични термични качества, което ги прави полезни за управление на топлината. Суперсплавите Inconel са по-добри за частите на двигателите и изпускателните системи, когато са изложени на високи температури.

2. Как 3D печатът върху метал подобрява производителността в сравнение с традиционните методи на производство?

Чрез оптимизирани форми и мрежести структури, адитивното производство на метал може да намали теглото с 30 до 55%, като същевременно запази целостта на структурата. По-добрият термичен контрол се постига чрез наличието на много сложни вътрешни канали и пътища за охлаждане. Комбинираните системи намаляват броя на частите от стотици на десетки, което улеснява поддръжката и намалява риска от повреда.

3. Какви ключови съображения трябва да оценят екипите по снабдяване, когато доставят 3D-печатани аерокосмически компоненти?

Сертификатите за управление на качеството на въздухоплавателни средства по AS9100 и адитивния производствен процес по NADCAP са два вида сертификати за доставчици, които са необходими. Методите за осигуряване на качеството трябва да осигуряват пълна документация и възможност за проследяване на всички използвани материали. Доставчикът има опит в предоставянето на части с аерокосмически клас и е изградил възможности за последваща обработка, които гарантират, че частите се доставят надеждно и отговарят на строгите индустриални стандарти.

Партнирайте с Huangcheng за усъвършенствани решения за 3D печат на метал

Huangcheng е готов да промени начина, по който произвеждате части за самолети с пълната си гама от продукти. метален 3D печат услуги и десет години опит в бързото прототипиране. Нашата авангардна фабрика в Шънджън използва усъвършенствани технологии за адитивно производство и строги системи за контрол на качеството, за да гарантира, че вашите леки части за самолети отговарят на най-строгите изисквания. Като реномирана компания за 3D печат с метал, ние предлагаме висока точност, ниски цени и надеждни планове за доставка, които ви помагат да спазите важните срокове на вашите проекти. Моля, изпратете имейл на нашия екип на sales@hc-rapidprototype.com да обсъдим уникални решения, създадени да отговарят на вашите аерокосмически нужди, и да разберем как нашият нов начин на производство може да ви помогне да подобрите стратегията си за веригата на доставки.

Източници

1. Гибсън, Иън, Дейвид Розен и Брент Стъкър. „Технологии за адитивно производство: 3D печат, бързо прототипиране и директно цифрово производство.“ Springer Science & Business Media, 2021.

2. Херцог, Дирк, Ванеса Сейда, Ерик Уискиск и Клаус Емелман. "Адитивно производство на метали." Acta Materialia 117 (2016): 371-392.

3. Фрейзър, Уилям Е. „Адитивно производство на метали: преглед.“ Journal of Materials Engineering and Performance 23.6 (2014): 1917-1928.

4. Мър, Лорънс Е. и др. „Производство на метал чрез адитивно производство с помощта на лазерни и електроннолъчеви технологии за топене.“ Journal of Materials Science & Technology 28.1 (2012): 1-14.

5. Бойер, Родни, Герхард Уелш и Е. В. Колингс. „Наръчник за свойства на материалите: Титаниеви сплави.“ ASM International, 1994.

6. Уолърс, Тери и Тим Кафри. „Доклад на Уолърс за 2021 г.: Състояние на 3D печата и адитивното производство в индустрията.“ Wohlers Associates, 2021 г.