Jednym z kluczowych czynników wzrostu wykorzystania stopów tytanu jest powszechne zastosowanie kompozytów z włókna węglowego w produkcji lotniczej. Stopy tytanu i kompozyty z włókna węglowego wykazują doskonałą kompatybilność, oferując nie tylko wysoką wytrzymałość i odporność na korozję, ale także skuteczną redukcję masy, dzięki czemu są szczególnie odpowiednie do-obszarów narażonych na duże obciążenia i krytycznych komponentów mających kontakt z materiałami kompozytowymi. Jednak ten gwałtowny wzrost wykorzystania stopów tytanu stanowi podwójne wyzwanie dla producentów z branży lotniczej i kosmicznej: po pierwsze, stopy tytanu są metalami-o wysokiej wartości, a tradycyjne procesy kucia skutkują wyjątkowo niskim wykorzystaniem materiału, przy czym od 80% do 95% surowców jest potencjalnie marnowanych podczas obróbki, co stanowi wyzwanie dla dążenia przemysłu lotniczego do oszczędnej produkcji i zrównoważonego rozwoju. Po drugie, ciągła optymalizacja wydajności samolotów w coraz większym stopniu opiera się na bardziej wydajnych i lżejszych konstrukcjach konstrukcyjnych, podczas gdy tradycyjne procesy produkcyjne często napotykają ograniczenia, takie jak wysokie koszty, długi czas realizacji lub niewykonalność techniczna przy uzyskiwaniu złożonych zintegrowanych struktur. Czy istnieje zatem metoda produkcji, która może jednocześnie rozwiązać pilny problem odpadów materiałowych i uwolnić przyszły potencjał złożonych projektów konstrukcyjnych? Airbus, producent branży lotniczej, odpowiedział na te pytania, stosując technologię wytwarzania przyrostowego metodą drutowego-ukierunkowanego osadzania energii (w-DED), którą stosuje od wielu lat.
Jak działa w-DED?
Airbus wyjaśnia, że technologia wykorzystuje wieloosiowe-ramię robota wyposażone w szpulę z drutem ze stopu tytanu, która porusza się precyzyjnie zgodnie z modelem cyfrowym. Skupiając energię, np. wiązkę lasera, plazmy lub elektronów na drucie, jest on natychmiast topiony i osadzany warstwa po warstwie na podłożu. Z pozoru proces ten przypomina spawanie, ale w rzeczywistości jest całkowicie kontrolowany przez-trójwymiarowy model, który umożliwia „drukowanie” materiału od dołu do góry w-tak zwanej „części pustej”. Ta pusta część jest już bardzo bliska ostatecznego pożądanego kształtu, osiągając stan „prawie-net-kształtu” i wymagana jest jedynie szybka obróbka wykańczająca, aby spełnić wymagania dotyczące dokładnych wymiarów części.
Uwolnienie potencjału elementów konstrukcyjnych ze stopów tytanu dużych samolotów
Uwolnienie potencjału elementów konstrukcyjnych ze stopów tytanu dużych samolotów
Chociaż technologia druku 3D z metalu jest stosowana w przemyśle lotniczym od około dziesięciu lat, wcześniej ograniczała się ona głównie do małych części. Systemy druku 3D „w proszku” są zwykle używane do produkcji części krótszych niż 60 centymetrów (około dwóch stóp). Z kolei technologia-DED umożliwiła firmie Airbus przezwyciężenie ograniczeń dotyczących rozmiarów i produkcję dużych elementów konstrukcyjnych ze stopu tytanu o długości do siedmiu metrów (ponad 23 stóp). Nowy proces zapewnia prędkość produkcji rzędu kilku kilogramów materiału na godzinę. Dzięki temu możliwa jest-przemysłowa produkcja-na dużą skalę technologii druku 3D w przypadku elementów konstrukcyjnych dużych samolotów komercyjnych.
Pomagamy zmniejszyć ilość odpadów surowca tytanowego
W dzisiejszym dążeniu do zrównoważonej i oszczędnej produkcji tradycyjne procesy kucia mają trudności ze spełnieniem rygorystycznych wymagań producentów z branży lotniczej w zakresie kontroli kosztów i efektywnego wykorzystania zasobów. Jednym z kluczowych powodów, dla których Airbus wprowadził produkcję przyrostową DED, jest uniknięcie strat materiałów podczas przetwarzania od samego początku. Dzieje się tak dlatego, że w procesie wytwarzania przyrostowego DED części są hodowane warstwa-po-warstwie w sposób przypominający-netto-kształt, bardzo przypominający ostateczny kształt projektu, wymagający jedynie minimalnej późniejszej obróbki.
Zwiększanie elastyczności rozwoju samolotów
Tradycyjne procesy kucia matrycowego wymagają wytwarzania dużych i skomplikowanych form, co może zająć nawet dwa lata i wymaga znacznych inwestycji początkowych. Natomiast kształt części drukowanych-3D jest w całości definiowany przez programy komputerowe, co skraca cykl dostaw do zaledwie kilku tygodni. Elastyczność oferowana przez w-DED jest szczególnie korzystna dla płynnej i terminowej produkcji pierwszego prototypu-nawet gdy szczegółowe projekty są wciąż dopracowywane-i optymalizowane, technologia umożliwia szybką iterację komponentów fizycznych, aż cały samolot trafi do montażu końcowego.
Pierwsza walidacja w produkcji A350
Airbus rozpoczął niedawno masową integrację w produkcji dużych komponentów wytwarzanych przy użyciu technologii w-DED w konstrukcji obwodowej drzwi ładunkowych samolotu A350. W tej fazie eksploracyjnej te konkretne części, zaprojektowane przez Airbusa, są drukowane przy użyciu technologii plazmowej w-DED przez kwalifikowanych dostawców, następnie poddawane testom ultradźwiękowym przez Testia Bremen, a na koniec wykańczane i montowane we własnych fabrykach Airbusa. Części te są funkcjonalnie i geometrycznie identyczne z tradycyjnymi częściami kutymi, które zastępują, ale umożliwiły znaczne oszczędności. Patrząc w przyszłość, Airbus planuje wykorzystać komponenty w-DED samolotu A350 jako punkt wyjścia do stopniowego rozszerzania tej technologii na inne projekty i bardziej krytyczne części samolotu (w dłuższej perspektywie, w tym skrzydła i podwozie).
Zaprojektowany dla DED
Co ważniejsze, technologia ta dała początek nowej koncepcji „zaprojektowany dla DED”. Inżynierowie nie muszą już rozkładać skomplikowanych komponentów na wiele niezależnych części w celu oddzielnej produkcji i montażu; zamiast tego mogą zaprojektować je jako pojedynczy, zoptymalizowany strukturalnie zintegrowany komponent i wydrukować za jednym razem. Ta możliwość zintegrowania wielu części w jeden komponent skutecznie uprości łańcuch dostaw, ograniczy etapy montażu i skróci cykle produkcyjne, tym samym w pełni wykorzystując potencjał samolotów nowej-generacji opartych na koncepcjach projektowania 3D.
Promowanie zastosowań produkcyjnych kluczowych komponentów
Obecnie Airbus i jego partnerzy robią ogromne postępy w gromadzeniu doświadczenia w produkcji kluczowych komponentów przy użyciu technologii w-DED (wafer-to-znalezienie) i osiągnęli zachęcający postęp. Inżynierowie testują różne źródła energii, w tym plazmę, spawanie łukowe, wiązki elektronów i lasery, jednocześnie oceniając strategie „outsourcingu” (zlecanie drukowania zewnętrznym producentom) i „produkcji wewnętrznej” (produkcja wewnętrzna). Co więcej, technologia ta zostanie ujednolicona na poziomie Grupy Airbus, aby zapewnić jej zastosowanie i promocję w całej firmie.
Systematyczne doskonalenie logiki zdatności do lotu
Najbardziej- czasochłonnym i wymagającym aspektem certyfikacji zdatności do lotu jest uznanie bezpieczeństwa, czyli udowodnienie, że materiały są bezpieczne. Międzynarodowy przemysł produkcyjny lotnictwa cywilnego zgromadził doświadczenie w ciągu wielu lat praktyki. Kiedy wspominamy o certyfikacji zdatności do lotu, tak naprawdę mamy na myśli certyfikację części samolotu, która obejmuje trzy aspekty: materiały, procesy i projekt. Produkcja przyrostowa-Technologia druku 3D-obejmuje wszystkie trzy elementy. Po pierwsze, produkcja przyrostowa jest procesem produkcyjnym. Tymczasem maksymalizacja wartości tej technologii wymaga projektowania pod kątem wytwarzania przyrostowego. Stosowanie nowych materiałów w wytwarzaniu przyrostowym części stanowi kolejny element wymagający weryfikacji bezpieczeństwa. Dlatego najbezpieczniejszym podejściem jest rozwiązanie tego problemu krok po kroku, minimalizując ryzyko. Podejście Airbusa do wytwarzania przyrostowego DED stopu tytanu odzwierciedla „trzy-etapową” logikę zdatności do lotu omówioną w powyższym wywiadzie. Po pierwsze, zaczynając od drugorzędnych konstrukcji nośnych, takich jak drzwi ładunkowe A350, zweryfikowano niezawodność samego procesu w-DED przy zachowaniu niezmienionych materiałów i projektu. Następnie stopniowo rozszerzono go na podstawowe-konstrukcje nośne, promując optymalizację „zaprojektowaną dla DED”. Obecnie koncentrujemy się na uwalnianiu potencjału tradycyjnych materiałów za pomocą nowych procesów, zamiast jednocześnie rzucać wyzwanie zupełnie nowym ścieżkom w zakresie materiałów, procesów i projektowania. To etapowe,-podejście kontrolowane pod względem ryzyka nie tylko odzwierciedla niezbędny rytm industrializacji, ale także ujawnia istotę wytwarzania przyrostowego w przemyśle lotniczym-to nie tylko innowacja technologiczna, ale także systematyczny projekt „budowy zaufania”. Sposób przekształcenia innowacji technologicznej w niezawodną wartość, która może zostać certyfikowana i wyprodukowana masowo w ramach zdatności do lotu, oraz leżący u jej podstaw harmonogram, stratyfikacja ryzyka i logika weryfikacji, może być bardziej godny głębokiego rozważenia w branży niż konkretne szczegóły techniczne.