Die erstaunliche Entwicklung des 3D-Drucks in Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Sie sind vielleicht noch keine flugkritische Hardware, aber 3D-gedruckte Teile für kommerzielle und militärische Flugzeuge und Raumfahrzeuge machen es einfacher, Gewicht und Materialkosten zu reduzieren. Übersetzung:Hier gibt es ROI für sehr spezifische Anwendungsfälle – und funktionalen Gewinn aus den Einsparungen, die sinnvoll genutzt werden.

Die additive Fertigung hat eine glänzende Zukunft. Aber wie hell wird es für die Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie? Wir untersuchen, wie sich 3D-gedruckte Teile heute auswirken – und sehen uns einige der Einschränkungen an.

Wir haben mit Ingenieurexperten von 3D Systems und 3DDirections gesprochen, um herauszufinden, wohin sich die additive Fertigung und der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich entwickeln. Aber lassen Sie uns zuerst einen Blick auf die Entwicklung der Branche in dieser dynamischen Branche werfen.

Die Geschichte des 3D-Drucks und additiver Teile für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Die Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie, insbesondere das US-Militär, war ein früher Anwender von 3D-gedruckten Teilen, aber hauptsächlich für Tests und Simulationen, da die Feuer- und Toxizitätsbewertungen von Kunststoffen nicht mit denen von Metallen für den Flug mithalten konnten – sowohl im Weltraum als auch darüber die Wolken.

Diese Testteile wurden hauptsächlich in Drohnen und Satelliten verwendet, erklärt Bryan Newbrite, Anwendungsingenieur bei 3D Systems. Zwischen 2008 und 2013 wurden additiv hergestellte Kunststoffe wie Bluestone zum Testen von Dingen wie Windkanälen und in Leitungsteilen verwendet, aber auch Keramikharze wurden für Simulationen verwendet.

Diese Anwendungsfälle waren gut geeignet, um den Windfluss nachzuahmen. Diese Teile wurden nie mit Menschen verwendet. Vor dieser Ära, Mitte der 1990er Jahre, wurden einige 3D-Teile für schnelle Gussteile verwendet.

Die Dinge begannen sich zwischen 2007 und 2013 zu ändern.

„Die größte Veränderung im Luft- und Raumfahrtsektor war eigentlich die Entwicklung des flammhemmenden selektiven Lasersinterns“, sagt Newbrite. „Es ist eines der wenigen Dinge, die Sie in der kommerziellen Luftfahrt zu finden begannen … Im Grunde nahm man Nylon 12 oder Nylon 11 und fügte Flammschutzmittel hinzu, damit es den Flammtest bestehen würde.“

Das war wichtig, weil es bedeutete, dass das Material etwas Wärme halten konnte, ohne Feuer zu fangen – und sich schnell löschen konnte, ohne giftige Dämpfe abzugeben.

Es wurde erstmals in Satelliten eingesetzt. Der Hauptgrund? Return on Investment.

„Es kostet 40.000 bis 50.000 Dollar pro Kilogramm, einen Satelliten geostationär zu versetzen“, sagt Newbrite. „Wenn Sie also eine strukturelle Halterung oder ein internes Element eines Satelliten entwerfen und ein paar Kilogramm einsparen können, dann sind die tatsächlichen zusätzlichen Kosten für den Bau aus Additiv mehr als erledigt.“

Ein entscheidender Moment in der Geschichte des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrt:GEs LEAP Engine Fuel Nozzle

Eines der bemerkenswertesten Zusatzteile für die kommerzielle Luftfahrt war eine 3D-gedruckte Kraftstoffdüse von GE für das LEAP-Triebwerk. Es ist ein leuchtendes Beispiel dafür, wie die Anstrengungen von Forschung und Entwicklung Früchte tragen – und viel Aufmerksamkeit für Innovationen auf sich ziehen.

„Der Erfolg von GE bei diesem Projekt bestand darin, dass sie einfach rohe Gewalt anwenden mussten, um es zu verwirklichen, was bedeutete, dass sie Tausende und Abertausende dieser Düsen bauten, um sie als brauchbare Teile qualifizieren zu können, die gedruckt werden können. “, erklärt Chris Barrett, Präsident und Gründer von 3DDirections, einem Berater für additive Fertigung und Maschinenbauexperten.

Barrett arbeitet als Forschungswissenschaftler für die Universal Technology Corporation und ist Ph.D. Kandidat an der Youngstown State University in Ohio.

„Die Art und Weise, wie sie es früher herstellen mussten, waren im Grunde Tonnen von Folienschichten verschiedener Art, die zusammengedrückt wurden“, sagt Barrett. „Und nur so konnten sie die erforderliche Komplexität erreichen. Für die 3D-Version wurde der gleiche mehrschichtige Ansatz verwendet, aber stellen Sie sich vor, es manuell zu machen.“

Laut GE sind die 3D-gedruckten Düsen „fünfmal langlebiger als das Vorgängermodell“ und der additive Ansatz „ermöglichte es den Ingenieuren, ein einfacheres Design zu verwenden, das die Anzahl der Löt- und Schweißstellen von 25 auf nur fünf reduzierte.“

Ein gemeinsames Thema beim 3D-Druck und der additiven Fertigung:Die Reduzierung von Teilen, Schritten oder Gewicht

Sowohl Barrett als auch Newbrite weisen darauf hin, dass die meisten 3D-gedruckten Teile für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung heute nicht flugkritisch sind. Trotz des Vorstoßes von GE mit Kraftstoffdüsen ist die Massenproduktion ein Problem.

„Ich bin mir sicher, dass die additiven Technologien und Ansätze mit der Zeit aufholen werden“, sagt Newbrite. „Aber aus Kostengründen sieht man derzeit wirklich nicht viel davon in der Produktion. Die großen Verkehrsflugzeuge sind sehr effizient geworden. Tatsächlich konzentrieren sich die meisten Anwendungsfälle derzeit stark auf Militär, Drohnen, unbemannte Flugzeuge und Satelliten, wo das Gewicht wirklich eine Rolle spielt.“

Traditionelle Herstellungsmethoden mit fortschrittlichen und präzisen CNC-Maschinen werden die Branche weiterhin dominieren, da sie nach wie vor am kostengünstigsten sind.

"Es kostet normalerweise das 10- bis 100-fache des traditionellen", sagt Barrett. „Also muss es am Ende des Tages eine 10- bis 100-fache Verbesserung als Teil zeigen.“

Dennoch gibt es einige Anwendungen, die heute verwendet werden, und viele andere, die evaluiert werden. Die großen kommerziellen und Verteidigungs-OEMs, darunter Boeing, Airbus, Honeywell, GE und Lockheed Martin, investieren stark in die Forschung zur additiven Fertigung.

Barrett weist auf ein anderes F&E-Projekt von GE hin, bei dem versucht wurde, die meisten Teile eines Flugzeugtriebwerks – eines fortschrittlichen Turboprops oder ATP – zu drucken, und das mit Titan-Superlegierungen erfolgreich war.

„GE nahm einen Motor, der aus 855 Teilen bestand, und reduzierte ihn auf etwa 12“, sagt Barrett. „Sie konnten das Gewicht des Motors um 100 Pfund reduzieren und die Kraftstoffeffizienz um 20 Prozent steigern.“

Sehen Sie sich alle 3D-gedruckten Komponenten des ATP-Motors von GE an. Quelle:GE

Die Gewichtsreduzierung ermöglichte auch eine 10-prozentige Leistungssteigerung gegenüber dem Vorgänger. Dieses Triebwerk soll für das Cessna Denali-Flugzeug von Textron Aviation in Produktion gehen.

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3D-Druck für Luft- und Raumfahrt und Verteidigung:MRO und Ersatzteile 

Einer der interessanteren Anwendungsfälle für den 3D-Druck ist die Herstellung von Ersatzteilen für ältere Flugzeuge, wie sie beispielsweise in C-130 und B-52 zu finden sind. Die Flugzeuge sind älter, werden aber immer noch für den Transport von Fracht und Truppen eingesetzt – und ihre Teile werden immer schwieriger zu ersetzen, erklärt Barrett.

Das Problem? Flugzeuge können für längere Zeit am Boden bleiben – manchmal für mehrere Jahre, weil es an Ersatzteilen mangelt. Einige dieser Flugzeuge sind 50 Jahre alt, und Unternehmen stellen keine Teile mehr für sie her – oder sie haben ihr Geschäft eingestellt. Unternehmen, die bereit sind, Ersatzteile herzustellen, können Jahre brauchen, um sie fertigzustellen.

„Als wir anfingen, dies zu recherchieren, stellten wir fest, dass einige dieser Teile, weil sie im Flugzeug saßen und so viele Jahrzehnte lang herumgeprügelt wurden, sich gedehnt und verzogen haben, während sich das Flugzeug gedehnt und verzogen hat“, sagt Barrett. „Also ist jeder Teil ein bisschen anders, denn die 90-Grad-Wende ist jetzt nicht mehr 90 Grad, es könnte 85 Grad sein. Nun, ich kann keine Gussform herstellen, die all diese Unterschiede berücksichtigt. Es ist also ein perfektes Argument für den 3D-Druck.“

Unternehmen wie 3D Systems und andere können kundenspezifische Teile für jedes Flugzeug herstellen, indem sie 3D-Scanner in ein Flugzeug bringen, digitale Dateien erstellen und jedes Teil so drucken, dass es der Form und Geometrie dieses Teils in seinem aktuellen Zustand entspricht.

Sehen Sie sich MRO und Ersatzteile an, die für ältere Militärflugzeuge hergestellt werden. Quelle:3D Systems

An diesem Legacy-Ersatzteilprojekt sind eine Reihe öffentlicher und privater Organisationen im Rahmen einer Initiative namens Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment (MAMLS) beteiligt, die vom Air Force Research Laboratory finanziert wird.

Ein Hersteller, der mit C-130-Flugzeugen Fuß gefasst hat, ist Metro Aerospace, ein Unternehmen, das auf der International Manufacturing Technology Show 2018 auf Better MRO vorgestellt wurde. Metro Aerospace hat Mikroflügelteile an das Militär geliefert. Microvanes bestehen aus einem leichten, korrosionsbeständigen, langlebigen Polymerverbundstoff, der Glas- und Nylonperlen enthält.

Lesen Sie alles über die Herausforderungen und Produktionserfolge von Metro Aerospace im Artikel „ Wie man ein 3D-gedrucktes Teil in der Luft- und Raumfahrt auf den Markt bringt .“

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