In de loop der jaren is bewezen dat de ruimtevaart een van de snelst groeiende toepassingen voor 3D-printen wereldwijd is. Meerdere variëteiten, kleine series en complexe structuren zijn de unieke productkenmerken van de lucht- en ruimtevaart. De dringende behoefte aan lichtgewicht, lage kosten en snelle ontwikkeling zijn zeer compatibel met de kenmerken van 3D-printen, zoals een hoge mate van vrijheid en snel gieten. Sommige vliegtuigfabrikanten kunnen zelfs profiteren van de korte downtime om hun vliegtuigen achteraf aan te passen, digitale inventarissen op te bouwen om verouderde vliegtuigen te onderhouden en geavanceerde fabricagetechnieken te gebruiken om de volgende generatie vliegtuigen te creëren. Het in eigen land geproduceerde grote C919-vliegtuig van mijn land is bijvoorbeeld ontworpen en proefgeproduceerd door toepassing van een groot aantal 3D-printtechnologieën.
Laten we eens nader bekijken waarom de luchtvaartindustrie 3D-printen gebruikt en kijken hoe deze gemeenschappelijke voordelen kunnen worden gebruikt bij de productie van vliegtuigen:
Integratie van onderdelen
Het zwakste punt in een onderdeelassemblage is waar het wordt geassembleerd. In het geval van vliegtuigen kan een dergelijke zwakte een kritiek punt van falen worden, met gevaar voor mensenlevens.
Door meerdere componenten van een onderdeel op te nemen in een enkele 3D-geprinte build, wordt het aantal montagepunten noodzakelijkerwijs verminderd. De unieke geometrieën die mogelijk worden gemaakt door 3D-printen, kunnen wat normaal tientallen of honderden onderdelen zou hebben, terugbrengen tot slechts een paar - of een enkel onderdeel. Omdat lassen, klinken of andere bevestigingsmiddelen niet nodig zijn om onderdelen bij elkaar te houden, wordt niet alleen de assemblage verminderd, maar worden ook de mogelijke faalpunten verminderd.
Hoe meer componenten worden geconsolideerd, hoe groter de besparing. Als sommige onderdelen na montage worden vastgezet, kan dit een kans zijn om het ontwerp te integreren. Complexiteit is vaak gratis bij additive manufacturing, en de meest succesvolle onderdelen maken zoveel mogelijk gebruik van dit axioma. De voordelen van onderdelenintegratie omvatten hoofdzakelijk de volgende:
Verminderde assemblage: dit omvat het verminderen van arbeid, inventaris, mallen/gereedschappen en productie-footprint voor het eindproduct. Ook montage-inspecties worden verminderd, waardoor de kans op montagefouten sterk verkleind wordt.
Minder storingspunten: onderhoudskosten op lange termijn worden verlaagd en de voorraad vervangende onderdelen kan worden verminderd. Vervangingen van kleine batches kunnen indien nodig snel en kosteneffectief worden uitgevoerd.
Lagere bedrijfskosten: dankzij additieve fabricage verbetert onderdeeloptimalisatie door ontwerpvrijheid de productprestaties, waardoor verbeteringen mogelijk worden zoals gewichtsvermindering van onderdelen en betere thermische prestaties.
Llichtgewicht
Voor apparatuur die tijdens de vlucht wordt gebruikt, "grammen zijn goud", en elke kilo gewichtsverlies kan honderdduizenden yuan aan kosten besparen. Lichtere componenten betekenen minder brandstof, wat niet alleen de ecologische voetafdruk van vliegen verkleint, maar ook de vliegkosten verlaagt.
3D-printen blijft innoveren op basis van traditionele productiematerialen. In dezelfde structurele onderdelen worden formuleringen van 3D-printmateriaal met betere prestaties gebruikt om lichtere eindonderdelen te maken. Gecombineerd met lichtgewichtstructuren zoals componentintegratie, optimalisatie van 3D-printtopologie en roosterstructuren, is het vooral gunstig voor het lichtgewichtontwerp van vliegtuigen, waardoor het functioneler wordt.
Verbeterde ontwerpvrijheid
Veel mensen die werkzaam zijn in additive manufacturing beweren graag dat de technologie een grote "ontwerpvrijheid" biedt, omdat voor het eerst complexe geometrieën kunnen worden gerealiseerd die niet kunnen worden geproduceerd door andere productieprocessen.
In het verleden waren componenten met zeer complexe ontwerpen moeilijk of erg duur om te vervaardigen, of konden ze helemaal niet worden vervaardigd. Met behulp van additive manufacturing-processen kunnen op een relatief eenvoudige manier zeer complexe twee- of driedimensionale metalen onderdelen worden geproduceerd, en dit is een haalbare manier om integraal structurele componenten te vormen die bestaan uit massieve en mesh-onderdelen.
Ontwerpmethoden zoals topologie-optimalisatie en generatief ontwerp hebben 3D-printen effectief geholpen om nieuwe vormen te ontwikkelen waaraan nog nooit eerder was gedacht. Deze complexe roosterontwerpen besparen niet alleen gewicht door alleen daar waar nodig materiaal toe te voegen, maar zijn vaak ook sterker dan traditionele ontwerpen. Hoewel bepaalde beperkingen nog steeds bestaan en kunnen variëren afhankelijk van de 3D-printtechniek en gebruikte materialen, zijn deze beperkingen in veel opzichten veel minder ernstig dan die bij traditionele subtractieve productieprocessen. Nieuwe interieur- en exterieurvliegtuigonderdelen kunnen worden ontworpen om verouderde originele onderdelen te vervangen, en flexibelere ontwerptrucs om extreme functionaliteit toe te voegen.
Rapid Prototyping Iteratie
De naam van het oorspronkelijke gebruik van 3D-printen is rapid prototyping. Van schetsideeën tot CAD-ontwerpen tot eerste prototypes - daarna tweede, derde, enzovoort - 3D-printen versnelt de time-to-market voor nieuwe producten. Het duurt ongeveer een half jaar van ontwerp tot fabricage om turbinebladen te vervaardigen met traditionele technologie, maar het duurt ongeveer een half jaar om een mal te maken. Het gebruik van 3D-printtechnologie kan echter binnen enkele dagen of weken een snelle doorlooptijd en iteratie bereiken.
Productie in kleine series
In de lucht- en ruimtevaartindustrie worden relatief weinig vliegtuigen geproduceerd in termen van totale productie in vergelijking met de productie van auto's of elektrische apparaten.
Hoogwaardige productie in kleine volumes is zeer geschikt voor 3D-printen. Hoewel voor veel traditionele productieprocessen dure gereedschappen en matrijzen nodig zijn, waardoor schaalvoordelen voor massaproductie ontstaan, maakt additive manufacturing de noodzaak van matrijzen overbodig. Er kunnen één of meerdere stukken tegelijk worden gemaakt, inclusief verschillende ontwerpen op dezelfde bouwplaat, zonder extra vorm- of gereedschapskosten.
Het buigpunt tussen additive manufacturing en traditionele productie vereist doorgaans de fabricage van honderden of duizenden onderdelen totdat traditionele technologieën kosteneffectiever worden, en hoewel dit uiteindelijk de kosten van elk spuitgegoten onderdeel tot centen kan verlagen, is het pas op dat kruispunt punt, 3D-printen zal kosteneffectiever zijn. Vooral bij het gebruik van hoogwaardige applicatiematerialen is materiaalbesparing absoluut noodzakelijk.
Ddigitale inventaris
Wanneer een vliegtuig het einde van zijn levensduur nadert, kan het vaak worden gered door bepaalde onderdelen te vervangen om het in de lucht te houden. De conventionele manier waarop dit wordt gedaan, is door gebruik te maken van fysieke magazijnen waar reserveonderdelen op planken worden opgeslagen wanneer dat nodig is. In de meeste gevallen worden deze reserveonderdelen tegelijkertijd met de originele in serie geproduceerde OEM-onderdelen vervaardigd en zijn ze gereserveerd voor vervangingsbehoeften van versleten onderdelen. Maar als die behoefte zich nooit voordoet, verspillen ze niet alleen de tijd en kosten om ze te produceren, maar ook jarenlang in de schappen. Erger nog, als de vraag komt, zijn reserveonderdelen niet op voorraad, vooral degenen die voor altijd uit productie zijn - het missen van zelfs maar een klein onderdeel kan het vliegtuig aan de grond houden.
In plaats van items fysiek in de schappen te plaatsen, slaat de digitale inventarisbenadering ontwerpbestanden op die 3D-geprint kunnen worden. De onderdelen die aan vervanging toe zijn, kunnen overal en altijd worden vervaardigd met behulp van geschikte 3D-printtechnieken, wederom zonder dat vooraf dure mallen of gereedschappen moeten worden geproduceerd. In plaats van te wachten tot OEM's vertragen, waardoor de druk op de fysieke inventaris wordt verminderd, terwijl ook de levensduur van de vlucht wordt verlengd, zodat het niet kan vliegen vanwege een klein onderdeel.
Vlieg hoger en verder met 3D-printen
De productie van vliegtuigen, van prototypes tot reserveonderdelen, profiteert steeds meer van het gebruik van 3D-printen in de toeleveringsketen. Gedecentraliseerde productie, nieuwe ontwerpmogelijkheden en besparingen in tijd, materialen en kosten bieden vliegtuigen nieuwe manieren om hoog te blijven vliegen.
Het productieproces met toegevoegde waarde vervangt de traditionele productie, wat schimmelkosten kan besparen en in veel opzichten kostenverlaging en efficiëntieverhoging kan bereiken. 3D-printmaterialen vormen de materiële basis voor de ontwikkeling van 3D-printtechnologie, en metalen, keramiek en composietmaterialen zijn opkomende sporen op het gebied van 3D-printen. Volgens industriestatistieken vrijgegeven door Wohlers Associates Inc, nemen in de downstream-toepassingsindustrieën van 3D-printen, de auto-industrie, consumentenelektronica en ruimtevaart het grootste deel voor hun rekening, en zullen metalen, keramiek en composietmaterialen het "omslagpunt" worden van Materialen voor 3D-printen.
Tegen de achtergrond van het plan "Made in China 2025" is 3D-printen de hoofdlijn geworden van de bevordering van intelligente productie in mijn land, en de ruimtevaart is een van de belangrijke toepassingsgebieden van additive manufacturing. Op dit moment, op het gebied van lucht- en ruimtevaart in binnen- en buitenland, duiken vliegtuigen met een hoog Mach-getal en hoge manoeuvreerbaarheid eindeloos op en worden een van de belangrijkste ontwikkelingstrends van de volgende generatie ruimtevaartvoertuigen. De ontwerpeisen stellen hogere eisen aan ontwerp- en fabricageprocessen. De meeste componenten hebben de kenmerken van groot formaat, complexe vorm en meerdere structuren. 3D-printtechnologie heeft grote voordelen bij de geïntegreerde productie van onderdelen van grote afmetingen, de productie van speciaal gevormde en complexe structurele onderdelen en de productie van massa-aangepaste structurele onderdelen.
JR kan u voorzien van ontwerp, 3D-printproces, nabewerking, CNC-verwerking en andere one-stop-services. Op dit moment heeft het samengewerkt met vele wetenschappelijke onderzoeksinstellingen, universiteiten en ondernemingen op het gebied van ruimtevaarttoepassingen, en streeft het ernaar een totaaloplossing te bieden voor indirect 3D-printen van metaal met krachtige, lichtgewicht en fijne microstructuur.