Is 3D-printen met metaal toegepast op mallen voor de lucht- en ruimtevaart?

1. Technologisch aanpassingsvermogen: het overwinnen van de fysieke en financiële barrières van conventionele productie
Matrijzen voor de lucht- en ruimtevaart moeten een complex kanaalontwerp hebben, een hoge-oppervlaktebehandeling, lichtgewicht structuren en het vermogen om zware omstandigheden te weerstaan. Metaal 3D-printtechnologie voldoet aan al deze behoeften met de volgende kenmerken:
Ontwerp van een passend koelkanaal
Het typische matrijskoelsysteem maakt gebruik van boortechnologie, maar deze wordt beperkt door de structuur van de matrijs. Dit kan problemen veroorzaken met ongelijkmatige koeling die tot hotspots kunnen leiden. Metaal 3D-printen kan zich aan vormholtes hechten door topologie-optimalisatie te gebruiken om koelkanalen in elke vorm te construeren. Platinum Technology heeft bijvoorbeeld een mal voor een ontstekingsbochtbuis gemaakt voor Blue Arrow Aerospace, waarbij gebruik wordt gemaakt van een conforme waterweg om de spuitgietcyclus met 35% te verkorten. Het productcertificeringspercentage is gestegen van 85% naar 96%. Dit soort techniek kan de thermische spanningsconcentratie in mallen voor vliegtuigmotorbladen aanzienlijk verlagen en ervoor zorgen dat de mal langer meegaat.
Hoge-precieze oppervlakte- en functionele integratie
Matrijzen voor de lucht- en ruimtevaart hebben zeer gladde oppervlakken nodig, en 3D-printen met metaal kan oppervlakken krijgen met een ruwheid van Ra van minder dan of gelijk aan 0,8 μm door het laservermogen, de scanmethode en de poedereigenschappen te veranderen. De heupgewrichtmal van titaniumlegering, gemaakt door de Platinum A160-printer, heeft bijvoorbeeld een microporeuze structuur op het oppervlak (met een porositeit van 60% tot 80%) die direct voldoet aan de biocompatibiliteitsnormen, waardoor polijsten na het printen niet nodig is. Ook kan metaal 3D-printen met meer dan één materiaal tegelijk printen. Laser Luminescentie heeft bijvoorbeeld een koperen hoge{9}}temperatuurlegering uit meerdere-materialen gemaakt met een stuwkamervorm die een GH4169-versterkingslaag aan het oppervlak van het kopersubstraat toevoegt met behulp van lasercladtechnologie. Dit balanceert thermische geleidbaarheid en structurele sterkte.
Lichtgewicht en topologie-optimalisatie
Om energie te besparen en het transport efficiënter te maken, moeten lucht- en ruimtevaartmatrijzen zo licht mogelijk zijn en toch sterk. Biomimetische roosterarchitecturen en dun{1}}wandige versterking kunnen ervoor zorgen dat 3D-printen met metaal meer dan 30% van het gewicht bespaart. Zo heeft Platinum Technology voor een bepaalde satellietconstructie een 3D-printmatrijs gemaakt die gebruik maakt van een roosterontwerp. Dit ontwerp vermindert het gewicht met 40% terwijl het nog steeds sterk is. Het is met succes gebruikt bij China's grootste 3D-printsatellietproject in de ruimte.
Snel wijzigingen en kleine batches doorvoeren
Bij de traditionele matrijsproductie duurt het enkele maanden om een ​​matrijs te openen, terwijl 3D-printen met metaal snel van matrijsmodel kan wisselen met behulp van de optie "printen met één klik". Dit is belangrijk voor lucht- en ruimtevaartproducten omdat ze een korte iteratiecyclus hebben. De 3D-printapparatuur van Wisconsin kan bijvoorbeeld met meerdere lasers tegelijk printen. Het kan 200 stuks per dag maken en kost 40% minder per stuk dan traditionele methoden. Dit versnelt de onderzoeks- en ontwikkelingscyclus voor nieuwe raketmotoren aanzienlijk.
2. Veelvoorkomende gebruiksscenario's: die alles bestrijken, van belangrijke componenten tot de hele industriële keten
Metaal 3D-printtechnologie heeft zijn weg gevonden naar veel belangrijke gebieden van matrijzen in de lucht- en ruimtevaart, waardoor een complete procesoplossing is ontstaan, van ontwerpverificatie tot massaproductie:
Mal voor motoronderdelen
Metaal 3D-printen wordt vaak gebruikt om mallen te maken voor essentiële onderdelen zoals turbinebladen en verbrandingskamers in vliegtuigmotoren. De YF-75DA-bochtbuismal voor de motorontsteking, die is gemaakt door Platinum en Blue Arrow Aerospace in samenwerking, vermindert het risico op scheuren dat gepaard gaat met standaard lasmethoden door gebruik te maken van geïntegreerd vormen. Hierdoor gaat de mal ruim 50% langer mee. GE Aviation maakt ook gebruik van 3D-printen van metaal om mallen voor brandstofsproeiers te maken, waardoor de levertijden met de helft en de kosten met 30% worden verkort.
Mal voor structurele onderdelen van ruimtevaartuigen
Voor het maken van mallen voor grote structurele onderdelen zoals satellieten en raketsecties zijn materialen nodig die zeer sterk en nauwkeurig van formaat zijn. De LiM-X650-laserapparatuur printte de mal voor een bepaald gebied van het raketcompartiment. Het is samengesteld uit een sterke en lichtgewicht aluminiumlegering. Topologie-optimalisatie verbetert de structurele prestaties en de lokale roosterstructuur is ontwikkeld om extra onderdelen te verwijderen en aan lichtgewichtcriteria te voldoen. De mal is met succes gebruikt om de tweede trap van de Chang Ba Jia-raketkern te maken, wat het productieproces enorm heeft versneld.
Vorm voor warmte-uitwisseling en warmteverlies
Lucht- en ruimtevaartapparatuur werkt onder zeer zware omstandigheden en matrijzen voor warmteafvoer voldoen aan zeer strikte prestatienormen. De puur koperen warmteafvoervinvorm gemaakt door Platinum Technology heeft een gradiëntdikte van 0,5 mm tot 1 mm. Dit, samen met de hoge thermische geleidbaarheid van puur koper, maakt het 40% efficiënter in het afvoeren van warmte dan typische schimmels. Mensen hebben dit soort schimmel veel gebruikt in plaatsen zoals stuwkrachtkamers van raketmotoren en thermische controlesystemen via satellieten.
Mallen repareren en opnieuw vervaardigen
Het kost veel om schimmelslijtage of scheuren in lucht- en ruimtevaartapparatuur te repareren nadat deze lange tijd is gebruikt. Met behulp van reverse engineering kan 3D-printen met metaal snel kopieën maken van vormholtes. Het kan ook lokale schade herstellen met behulp van entdruktechniek. Het automatische entsysteem voor onderdelen van Platinum System heeft bijvoorbeeld een entnauwkeurigheid van 0,05 mm, waardoor de reparatiekosten gehalveerd worden in vergelijking met eerdere methoden en de reparatiecycli met 70% worden versneld.
3. Het creëren van een industrieel ecosysteem: van grote technologische vooruitgang tot groot gebruik
Het wijdverbreide gebruik van 3D-printen met metaal in de matrijzenbranche in de lucht- en ruimtevaart is het resultaat van nieuwe ideeën afkomstig van zowel de boven- als de onderkant van de industriële keten.
Nieuwe ideeën voor gereedschappen en materialen
Bolite en Huashu High Tech zijn twee binnenlandse bedrijven die verschillende industriële-metaal 3D-printers hebben uitgebracht waarmee enorme, multi-materiaal- en hoge- precisieobjecten kunnen worden gemaakt. De Platinum BLT-S1500 bevat bijvoorbeeld een synchroon scansysteem met 26-lasers dat 10 keer sneller kan printen dan standaard enkele-laserapparatuur en lucht- en ruimtevaartonderdelen kan maken met een diameter van 1,5 meter. Xi'an Sailong Metal heeft bolvormig titaniumlegeringspoeder gemaakt dat 30% vloeiender is, wat betekent dat het met meer nauwkeurigheid kan worden bedrukt. De MT800H-apparatuur van AVIC Maite kan op nikkel-gebaseerde hogetemperatuurlegeringen printen om te voldoen aan de behoeften van hot-end motoronderdelen.
Normen stellen en processen optimaliseren
De lucht- en ruimtevaartsector hanteert zeer hoge criteria voor de kwaliteit van matrijzen en moet strenge richtlijnen opstellen voor de manier waarop processen worden uitgevoerd. De intelligente procesbibliotheek van Platinum Technology combineert bijvoorbeeld meer dan 100.000 sets materiaalparameters en maakt het gemakkelijk om met slechts één klik de beste printoplossing te vinden. De 3D-printoplossing voor industrieel-metaal, gemaakt door Huashu High Tech en Siemens, maakt gebruik van multi-fysische veldkoppelingsanalyse om het beste printpad te vinden en het risico op vervorming te verkleinen. Ook zijn bedrijven in de VS actief betrokken bij het creëren van internationale standaarden zoals ISO/ASTM, die het gebruik van technologie op een gestandaardiseerde manier aanmoedigen.
Nieuwe manieren om diensten te verlenen
Metaal-3D-printbedrijven veranderen van ‘apparatuurleveranciers’ naar ‘volledige levenscyclusdienstverleners’. Bolite gebruikt bijvoorbeeld een IoT-platform om klanten te waarschuwen voor apparatuurproblemen, deze op afstand te diagnosticeren en onderdelen te sturen. Hun klanten komen uit sectoren als de lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie. Huashu High Tech heeft een alles-in-leveringsmodel van 'hardware+software+services' ontwikkeld om klanten te helpen technische uitdagingen te overwinnen.