Лазерный мир

Исследования Airbus по аддитивным производственным процессам начались более 20 лет назад, сначала с применением пластмасс и быстрого прототипирования, а несколько лет спустя —  с процессом  лазерного луча сплавления (LBM) и электронно-лучевой сплавления  (EBM) для применений с металлом . Проблема, которая по-прежнему существует для компании, которая приходит к аддитивным производственным решениям с прочным бизнес-кейсом,  как начать, если почти каждое промышленное решение определяется бизнес-дискуссиями.

В девяносто пяти процентах , аддитивное  производство облегчает, удешевляет и позволяет быстрее вступает в проект, вместо того, чтобы пытаться постоянно улучшать базовые показатели посредством глубоких исследований будущих решений.

Быстрая разработка продуктов

Одним из примеров производственных возможностей аддитивного  производства являются сами машины. В 2012 году компания начала работу с одной машиной LBM мощностью 250 Вт (250 × 250 × 280 мм) и теперь имеет два-четыре лазера мощностью 400 Вт / 1 кВт (до 800 × 400 × 500 мм) в обслуживании — тенденция, которая будет по-прежнему укрепляться полностью новыми типами мультилазерных систем в ближайшие 10 лет.

Бизнес-примеры также будут осуществимы для недорогих продуктов в среднесрочной перспективе (начиная с 2020 года) для компании. Ключевой урок, извлеченный после семи лет, с более чем 250 проектами по аддитивному металлическому  производству, заключается в том, что аддитивное  производство позволит использовать высокоинтегрированные и многофункциональные продукты с большими возможностями в будущем с точки зрения минимальности влияния на экологию и  на окружающую среду.

Материалы, процессы и машины

Материалы

Из-за планируемых задач Airbus сначала сосредоточился на титане (Ti6-4), а затем на Inox, и планирует к концу 2018 года применять алюминиевые приложения. аддитивное  производство  на основе LBM / EBM на Ti6-4 находится на уровне технологической готовности Level (Technology-Readyness-Level, TRL) 6 с конца 2015 года, а первые низкоскоростные серийные партии были поставлены компанией Premium Aerotech (дочерняя компания Airbus) в конце 2015 года.

Еще одна возможность будет доступна для серийных приложений в 2018 году с Scalmalloy, высокопроизводительным алюминиевым сплавом, который применяет  дочерняя компания Airbus AP-Works. С 2018 года компания будет иметь первый набор материалов для аддитивного  производства, доступных для начала реального серийного производства. Одной из самых больших проблем для будущих серийных приложений  является наличие недорогих металлических порошков, поэтому хорошо видеть всю деятельность во всем мире связанную с  этой будущей потребностью.

Процессы.

Моделирование методом послойного наплавления (Fused deposition modeling,FDM, с использованием машин Stratasys Fortus) уже в течение двух лет работает в серийном режиме на деталях Airbus A350. Селективное лазерное спекание (SLS) с полиамидом (PA) использовалось на демонстрационных участках и первых серийных применениях на вертолетах и консолях для нового транспортного самолета Beluga. Из-за ограниченной огнестойкости это пока еще не применяется на пассажирских самолетах.

LBM и EBM с металлами в настоящее время находятся в первых серийных применениях, с процессами с высоким уровнем осаждения (high deposition rate, HDR) с проволочной и порошковой обработкой  деталей из массивных пластин, нацеленных на конец 2018 года.

Машины.

Количество поставщиков комплектующих для аддитивного производства  быстро растет, что приводит к конкуренции на мировом рынке. С точки зрения промышленности инструментальные средства качества в процессе производства играют ключевую роль для будущих автоматизированных аддитивных производств.  Через 10 лет мы увидим комплект различных размеров машин и деталей для аддитивного производства, а также многофункциональные системы аддитивного производства. Например, поставщик оборудования для аддитивного производства в Нидерландах предлагает машину со встроенной термообработкой, а центр фрезерования DMG Mori объединяется с  инструментом  для  порошкового аддитивного производства  HDR .

Первые шаги на борт летательных аппаратов

В феврале 2014 года Airbus поставил первую печатную запасную часть FDM в авиакомпанию после двухлетнего проекта с 3D-редизайном 30-летнего ручного чертежа части сиденья салона. Это теперь чистый цифровой продукт, производимый более или менее по требованию самого Airbus вместо 10-летнего запаса из-за производства пресс-форм с 20-летним «серийным инструментом».

Первые несколько сотен заявок FDM для полетов испытали на борту нового испытательного самолета A350, начиная с 2014 года, а первый дополнительно изготовленный титан Bionic-кронштейн для кабины, изготовленный с использованием процесса LBM, и новый оптимизированный по топологии метод проектирования был взят на A350 в июне 2014 года после двух лет испытаний (РИСУНОК 1). Все эти мероприятия были чрезвычайно полезны для будущего аддитивного производства  на Airbus, поскольку они продемонстрировали техническую осуществимость и будущие возможности для реального промышленного использования с 2016 года и далее.

РИСУНОК 1. Кронштейн Bionic был изготовлен из титана с использованием лазерного плавления (LBM).

На сегодня продемонстрированы возможности аддитивного производства  в гидравлических компонентах, связанных с безопасностью полетов. До настоящего времени в основном были выпущены проекты LBM, из которых 95% были изготовлены партнерами Airbus Laser Center North (LZN), Hofmann Innovation Group, Toolcraft и AP-Works.

Примеры применения

Высокоскоростной процесс разработки.  «Тестирование высокотехнологичных целей в реальности» (THOR), самолетная платформа 3.7 м, практически полностью распечатанная из пластмасс и нескольких алюминиевых деталей, имеет вес в полете менее 25 кг. Целью было продемонстрировать возможности аддитивного производства в конкуренции с теоретическими исследованиями. РИСУНОК 2 показывает успешно продемонстрированный самолет ТОР.

РИСУНОК 2.«Тестирование высокотехнологичных целей в реальности» (THOR), произведенное полностью с использованием присадки.

Испытательные аппараты LBM по летной эксплуатации. Испытания на титановые, Inox и алюминиевые детали проводились на нескольких испытательных самолетах A350 / A330NEO, включая алюминиевую крышку камеры для вертикальной плоскости хвоста (РИС. 3).

Рисунок 3. Крышка алюминиевой камеры для вертикальной плоскости хвоста была изготовлена с использованием LBM.

Первый серийный титан используется в авиационных системах. Впервые поставляемый в 2016 году титановый двухконтурный топливный разъем Premium AEROTEC (PAG), который заменяет сборку сваренной литой детали, сократил затраты примерно на 50%, поскольку инструменты литья не нужны, а время выполнения сократилось с месяцев до 11 недель ( РИСУНОК 4).

РИСУНОК 4. Этот титановый двухслойный топливный соединитель, заменяющий сборный узел литой детали, сократил затраты примерно на 50%, потому что не нужны инструменты для литья.

Первые типовые титановые кронштейны с оптимизированной топологией. Первые серийные запчасти PAG для самолетов A350 с уменьшением веса на 30% будут поставляться в четвертом квартале 2017 года.

Соответствующий требованиям безопасности аддитивно произведенный гидравлический компонент. 30 марта 2017 года первый полет соответствующего дополнительного оборудования для обеспечения безопасности полетов на самолете A380 позволил снизить вес на 35% (РИСУНОК 5).

РИСУНОК 5. Этот компонент, специально предназначенный для обеспечения безопасности полетов, позволил снизить вес на 35% на самолете A380.

От первых деталей до проектирования «от чистого  листа»

Первым шагом в новой области аддитивного производства является 1:1 заменяемая аддитивно производимая деталь, а следующим шагом является переделка  полной сборки.

Цель состоит в том, чтобы в полной мере использовать дополнительное пространство для многофункциональных и высокоинтегрированных компонентов в дизайне «с чистого листа», обеспечиваемых аддитивным производством. Это может быть гидравлический блок или кронштейн с трехкомпонентным узлом, который ранее был изготовлен из 126 деталей. Это означает, что дизайн  не должен составлять более 120 частей, что приводит к сборке на 95% меньше (без технического обслуживания, запаса и логистики). Такие случаи изучаются  для серийного использования в 2019 году и далее.

Адитивное производство позволяет нам действительно переосмыслить продукт, например, копировать гигантскую структуру водяной лилии в спойлер или переносить рост тонкой формы в математику проектирования, о чем свидетельствует проект Bionic-Partition с программным обеспечением 3D-дизайна Autodesk и другими партнерами.  Проект демонстрирует возможности генетических алгоритмов проектирования, связанных с будущим аддитивным производством, что приводит к снижению веса на 45% и, следовательно, экономит около 3 тонн топлива в год для самолета A320 (РИСУНОК 6).

РИСУНОК 6. Проект Bionic-Partition демонстрирует возможности генетических методов проектирования, связанных с будущим аддитивным производством, экономя около 3 тонн топлива в год для самолета A320.

Перспективы на 2025 год

В 2016 году мы начали разрабатывать точку зрения на 2025 год с помощью 10 университетов и институтов, рассматривая ускоренную разработку продукта, определяя необходимость в оснащении, производстве по требованию, снижении потребностей в сырье, шагов  в снижении веса и больших возможностей. обеспечиваемых аддитивным производством.

Для развития  рынка аддитивного производства должна быть организована и развита полная индустриализация. Самыми серьезными проблемами являются понимание возможностей будущего продукта при проектировании с  «чистого листа», а также разработка всех необходимых принципов проектирования и промышленных программных решений. Затем все это должно быть подтверждено, включая новые требования и принятие от властей.

PETER SANDER  является вице-президентом Emerging Technologies & Concepts Germany в Airbus Operations GmbH, Гамбург, Германия

Оригинал статьи на английском языке: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-32/issue-5/features/additive-manufacturing-makes-headway-in-aircraft-production.html