Jeszcze kilka lat temu, druk 3D był wykorzystywany głównie do tworzenia prototypów i testowania produktów. Stąd jest ściśle kojarzony z nazwą Rapid Prototyping, czyli szybkim, precyzyjnym i powtarzalnym wytwarzaniem addytywnym elementów służących do analizy produktu. Dziś, każdy z nas może stać się użytkownikiem drukarki 3D, a jakość wytwarzanych elementów znacznie się poprawiła. Dzięki temu modele drukowane w 3D mogą pełnić rolę produktów końcowych w wielu branżach, w tym także przemyśle lotniczym.
Dlaczego druk 3D odgrywa tak ważną rolę w przemyśle lotniczym? Chęć redukcji wagi elementów, stosowania bardziej wytrzymałych materiałów czy usprawnienia projektowania wymaga ciągłego testowania. Najszybszą metodą wytwarzania prototypów jest właśnie druk 3D.
Porównanie: druk 3D a tradycyjne metody wytwarzania
Przemysł lotniczy to olbrzymia gałąź gospodarki, obejmująca zastosowania komercyjne, przemysłowe i wojskowe. Jest to wielka machina, składająca się z wielu działów, np. zajmujących się projektowaniem, produkcją, obsługą i konserwacją samolotów czy statków kosmicznych. Lotnictwo jest motorem rozwoju druku 3D, gdyż wiele elementów maszyn powietrznych jest wytwarzane za pomocą technologii addytywnej. Dotyczy to zarówno prototypów, jak i elementów użytku końcowego.
Zastosowanie technologii przyrostowej w kontekście samolotów militarnych i wyposażenia armii pozwala na redukcję ograniczeń łańcucha dostaw, zredukowanie ilości magazynowanych elementów i obniżenie ilości odpadów materiałów w podrównaniu do tradycyjnych metodach wytwarzania. Krótko mówiąc, druk 3D pozwala zaoszczędzić miejsce magazynowe, czas i pieniądze.
Poniższa tabela przedstawia wady i zalety technologii przyrostowej i tradycyjnych metod wytwarzania w kontekście przemysłu lotniczego.
| Technologia przyrostowa | Tradycyjne metody wytwarzania (CNC) | |
| Koszt | Produkcja niskoseryjna, wytwarzanie elementów „po kosztach” | Duży koszt produkcji niskoseryjnej, wymaga przygotowania form, barwników i wykończenia |
| Czas | Szybki czas wytwarzania- kilka do kilkunastu godzin | Długi czas wytwarzania, zależy od stopnia skomplikowania formy, zapasów i łańcucha dostaw |
| Zużycie zasobów | Wymagana optymalna ilość materiału | Wysokie zużycie materiału |
| Produkt | Możliwość wytworzenia produktów o skomplikowanej geometrii | Produkcja ograniczona, konieczność łączenia kilku elementów w całość |
| Post-processing | Nie zawsze konieczny | W większości przypadków wymagany |
| Jakość materiału | PEEK, ULTEM- właściwości zbliżone do stali | Elementy gotowe do ponoszenia obciążeń |
| Straty materiału | Niskie/Żadne | Wysokie |
| Prototypowanie | Możliwość szybkiego prototypowania | Bardzo drogie o czasochłonne |
| Użycie w przestrzeni lotniczej | Możliwe przy zastosowaniu wysokotemperaturowych filamentów, niskiej masie i dużej odporności mechanicznej | Trudne do wykonania |
Możliwości zastosowania druku 3D w przemyśle lotniczym
Najważniejszym powodem, dla którego optymalizuje się elementy samolotów i statków kosmicznych jest redukcja ich wagi. Dzieje się tak, ponieważ mniejsza masa własna maszyny pozwala na zmniejszenie zużycia paliwa i tym samym emisji spalin. Wpływa także na zwiększenie ładowności, prędkości, a nawet bezpieczeństwa. Dzięki temu, że elementy drukowane 3D są wytwarzane warstwa po warstwie, możliwe jest stworzenie bardziej skomplikowanych struktur, zmniejszając liczbę komponentów i wagę modelu. Kanały powietrzne, panele ścienne, ramy siedzeń, a nawet komponenty silnika mogą być wytwarzane addytywnie, pozwalając na znaczną redukcję masy samolotu.
Rekordzistą w ilości elementów wydrukowanych w 3D wśród samolotów jest Airbus. W nowym A350 XWB ponad 1000 elementów zostało wytworzone addytywnie z materiału ULTEM 9085, czyli termoplastycznego polieteroimidu. Materiał posiada wszelkie niezbędne certyfikaty i spełnia odpowiednie normy niepalności i toksyczności. Tworzywo charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną, uzyskaną przez wysoki stosunek siły do masy, dzięki czemu właściwościami przypomina stal. Zastosowanie technologii addytywnej pozwoliło usprawnić produkcję oraz skrócić czas wykonywania elementów.
Innym przykładem wykorzystania druku 3D w przemyśle lotniczym jest NASA, gdzie zaprojektowano i przetestowano łazik kosmiczny. Urządzenie jest wyposażone w kabinę ciśnieniową i składa się z 70 elementów wytworzonych przyrostowo w technologii FDM. Należą do nich ognioodporne otwory wentylacyjne, obudowy, mocowania, drzwi, zderzak i wiele innych niestandardowych elementów wyposażenia.
Filamenty wykorzystywane w przemyśle lotniczym
Z racji tego, że statki powietrzne i kosmiczne muszą posiadać odpowiednie certyfikaty bezpieczeństwa, materiały używane w branży lotniczej także muszą spełniać odpowiednie normy. Tworzywa używane w lotnictwie muszą zostać dokładnie przebadane pod względem różnych właściwości, takich jak stabilność wymiarowa, wytrzymałość, lepkość, odporność na ciepło i wilgoć. Projektowanie takich maszyn to długi i żmudny proces, dlatego wiele konceptów jest zawieszone na etapie specjalistycznych badań. Ulepszane jest między innymi rozwarstwianie i pękanie wydruków pod wpływem konkretnych czynników. Aby zapobiec niszczeniu modeli, technolodzy pracują nad niwelowaniem porowatości elementów wytwarzanych przyrostowo, zmniejszeniem liczby wnęk spowodowanych skurczem, utlenianiem czy innymi nieszczelnościami. Te problemy mogą zostać zminimalizowane poprzez dodanie do filamentu włókien węglowych lub szklanych, które ulepszą właściwości mechaniczne i poprawią przewodnictwo cieplne.
Technologie addytywne rewolucjonizują wiele sektorów przemysłu, w tym także lotniczy. Druk 3D to doskonały sposób prototypowania i weryfikacji projektu, a nowoczesne materiały i możliwość ich modyfikacji pozwalają sprostać wysokim wymaganiom tej branży. Głównymi czynnikami wymagającymi udoskonalenia są waga i bezpieczeństwo. Wytwarzanie przyrostowe umożliwia łatwą i szybką optymalizację tych dwóch elementów. Zatem moment, kiedy druk 3D zajmie miejsce tradycyjnych metod wytwarzania, jest jedynie kwestią czasu.
Więcej informacji na temat producenta polskich, przemysłowych drukarek 3D dostępne na stronie Omni.com oraz pod adresem mailowym [email protected].
