Летающие модели напечатанные на 3d принтере. Папочка с STL моделями подставки под самолёт
Группа учёных из университета штата Иллинойс высказала теорию изготовления частей самолётов методом 3D-печати, что позволяет сэкономить на выпуске воздушных судов до 5% времени, а также уменьшить стоимость процесса производства самолёта на величину от 4 до 7%. Информация до настоящего времени уже активно обсуждалась авиастроителями из различных стран, причём, первые намерения начать производство подобных воздушных судов были высказаны авиастроительной корпорацией Airbus.
Преимуществ у нового способа производства воздушных средств действительно много. Ввиду того, что непосредственного человеческого контроля при работе 3D-принтеров производиться не будет, снизится себестоимость производства, и если ранее каталожная стоимость самолёта Airbus A350-800 составляла 261 миллиона долларов, то при новой технологии производства, она может снизиться до 244 миллионов долларов, что естественно привлечёт внимание всех авиакомпаний мира. Помимо всего прочего, ввиду того, что 3D-печать выполняется согласно приведённым чертежам, вероятность какой-либо ошибки здесь практически полностью исключается, хотя, в тоже время стоит отметить, что человек в любом случае будет проводить контроль изготавливаемых авиаузлов и компонентов будущих самолётов.
Благодаря тому, что 3D-принтеры исключительно экономно используют материал, а сам процесс не требует наличия такого специфического оборудования как прессы и автоматические кузнечные линии, существенно сократится время производства воздушного судна, позволяя увеличивать объёмы выпуска готовых пассажирских авиалайнеров в течении года.
Необходимо также подчеркнуть и такой важный фактор производства самолётов, как снижения массы воздушных судов, что в свою очередь приводит к экономии топлива, пусть и весьма незначительной, по некоторым оценкам это около 2-3%, но всё же, это также наряду с другими технологиями непременно найдёт удовлетворённость у большинства авиаперевозчиков мира.
Тем не менее, для того, чтобы поставить производство пассажирских самолётов и частей к ним на массовый поток, требуется разработать специальный состав для 3D-принтеров, который бы учитывал все технологические особенности обычных компонентов. В частности, следует учесть такой важнейший фактор как наклёп металла, приводящий к упрочнению структуры составляющих самолёта, чего, к сожалению, на текущий момент технология 3D-печати не поддерживает. Существуют и другие факторы, такие как расположение волокон материала, предел прочности на разрыв и т.п., и только после того, как специальный материал для 3D-принтеров будет подобран, можно будет с уверенность заявить об успешности текущей инновации.
Все началось, когда Мэтью Бучард приобрел 3Doodler, 3D печатающую ручку, превращающую расплавленный пластик в различные изделия. Бучард работает главным исследователем и инженером в SAS International. Он занимался различными проектами с использованием 3Doodler, а сначала 2014 года основной его целью стало создание 3D печатного радиоуправляемого самолета.
Изначально он планировал построить самолет с помощью 3Doodler, и он получился достаточно хорошим, чтобы установить современный РУ двигатель.
В качестве эксперимента дизайнер использовал загруженные из Интернета планы для пробкового дерева. Этот самолет построен с помощью 3Doodler. Процесс создания является более быстрым и простым, нежели другие существующие способы.
Затем было необходимо установить РУ привод и двигатель, покрыть крылья, закрепить остальные детали и проводку. РУ привод и двигатель значительно увеличили вес самолета, поэтому конструкция изменялась несколько раз. Наконец-то, Бучарду удалось установить все, а также прикрепить новый пропеллер, приклеить приемник и аккумулятор. Серводвигатели позаимствованы у старых самолетов, общая стоимость 4 штук составила примерно £10.
После установки всех элементов конструкции настало время покрыть самолет. Сначала Бучард зашлифовал места стыков, а затем покрыл самолет материалом под названием Litespan с помощью ПВА клея.
Одно из преимуществ 3D ручки – при падении самолета во время испытательного полета поврежденные детали можно быстро заменить с помощью 3Doodler.
На прошлой неделе в солнечном Сан-Диего (штат Калифорния) эксперты компании Dassault Systemes собрались на ежегодную встречу сообщества экспертов (COE), проводимую во время выставки TechniFair. Среди этих экспертов были пользователи, партнеры и преподаватели по таким решениям Dassault, как платформы CATIA V5 и 3DEXPERIENCE.
Одним из экспертов был Терри Макгоуэн (Terry McGowan), младший технический сотрудник Boeing. На дне открытия COE 2018 он выступил с речью о концепции аддитивного производства (AM) компании Boeing. Ожидания Boeing, связанные с АМ, как и ее флагманский самолет модели 747, взлетают до небес.
«Мы уверены, что эта технология имеет огромный потенциал, – заявил Макгоуэн. – Мы подошли очень близко к технологии, напоминающей репликатор из сериала Star Trek».
Аддитивное производство
Терри Макгоуэн, младший технический сотрудник Boeing (фотография из LinkedIn)Аддитивное производство, AM, (оно же – 3d печать) за последние годы быстро завоевало известность. Эта технология используется в промышленности, в образовании и в академических кругах, а также любителями хобби и создателями новинок. Это не новая технология — ее концепция прослеживается к началу 1980-х годов — но по мере ее развития возникли такие сопутствующие ей технологии, как алгоритмический дизайн, которые и позволили подняться ей до прорывного состояния. Как отметил Макгоуэн в своем выступлении, существует множество причин поддерживать развитие АМ:
- Снижение стоимости деталей : эта технология позволяет использовать унифицированные узлы, снижая количество деталей, и, тем самым, уменьшая затраты.
- Доступность деталей : когда существует возможность напечатать деталь одним нажатием кнопки, то такие понятия, как время доставки и управление складскими запасами уходят в прошлое.
- Улучшение характеристик деталей : полученные на 3d принтерах детали позволяют использовать конструкции, не достижимые при помощи традиционных методов производства, например, облегченных оптимизированных структур.
- Увеличение надежности : снижение массы и количества деталей означает повышение их надежности, и детали, изготовленные на 3d принтерах, могут проектироваться с учетом эргономики.
Но, несмотря на то, насколько далеко продвинулась эта технология, и насколько велик ее потенциал, самой АМ еще предстоит пройти большой путь. Что может служить лучшей проверкой технологии, чем самая надежная, самая требовательная аэрокосмическая отрасль? Уж если можно использовать 3d принтеры для изготовления деталей самолета, то ничто не мешает применять 3d печать для всего остального. Компания Boeing ведет работы по созданию на 3d принтерах деталей, годных для эксплуатации в небе.
«Возьмем, к примеру, переднюю стойку на 787-м, – говорил Макгоуэн. – Для ее производства необходимо смонтировать гидравлические шланги вдоль большого монолитного элемента из титана. В будущем, мы сможем просто напечатать этот монолитный узел уже со всеми функциональными требованиями, встроенными в него, и устраним необходимость в монтаже всех дополнительных шлангов».
Сложность процесса АМ
Самая крупная в мире монолитная деталь, полученная на 3d принтере, оснастка для резки панелей крыла, была получена компанией Boeing при помощи 3d принтера в 2016 году. Эта деталь весом 748 кг занесена в книгу рекордов Гиннеса, и показана здесь в процессе изготовления (фотография от Boeing)
Для создания стабильно надежных деталей на 3d принтерах, необходимо принимать во внимание значительное число производственных параметров, участвующих в процессе АМ. В своем выступление Макгоуэн назвал некоторые из них:
- Материал : включая тип материала, размер частиц порошка и его чистота.
- Дизайн : включая геометрию, наличие консольных и опорных элементов.
- Компоновка : включая ориентацию деталей, их близость и заполнение пространства сборки.
- Процесс : включая использование энергии, скорость рабочего механизма, инертную атмосферу и более двухсот других параметров.
- Пост-обработка : включая термообработку, горячее изостатическое прессование (HIP), сглаживание стыков и зачистку поверхности.
Помимо этого, инженеры, использующие АМ, должны учитывать остаточные напряжения, рассеивание тепла, отделку поверхности, вертикальную анизотропность, сжатие и микрорасплавы. Контролировать нужно очень много параметров. Технология АМ все еще нуждается в наборе полных, качественных спецификаций всех этих параметров и опций.
Важным элементом для разработки таких спецификаций и снижения сложности АМ, как отметил Макгоуэн, стала информационная технология. В прошлом году Boeing начала широко использовать платформу 3DEXPERIENCE от компании Dassault Systemes. Одной из основных характеристики 3DEXPERIENCE является консолидация данных, а, по мнению Макгоуэна, данные играют важную роль в АМ.
«В прошлом, основным применением информационных технологий было обслуживание организации. Но теперь все изменилось, – сказал он. – В 21-м веке данные позволяют управлять всем. Поток создания ценностей формируется вокруг данных. И это означает, что информационные технологии оказывают связанными со всеми усилиями по структуризации и индустриализации потока создания ценности для АМ».
Обращение к сложности с помощью цифровых потоков
Фотография экрана платформы 3DEXPERIENCE (изображение от Dassault Systemes)
По словам Макгоуэна, обращение Boeing к платформе 3DEXPERIENCE стало важным шагом в развитии потока создании ценности с использованием АМ.
«Какое решение компания Boeing намерена использовать для получения этого промышленного потока создания ценности? – спросил он у аудитории COE. – «Она начинает с 3DEXPERIENCE. Эта новая платформа, предлагаемая компанией Dassault, представляет собой отход от системы, основанной на файлах, и играет значительную роль в совместной работе всех этих инструментов для достижения успеха в развитии промышленного потока создания ценности».
Макгоуэн заявил, что первым шагом компании Boeing в процессе АМ стало применение программного обеспечения EXALEAD компании Dassault Systemes для выявления данных, что позволяет идентифицировать и отобрать детали для АМ. С этого момента уже можно продемонстрировать цифровой поток – так называется интегрированная природа данных, проходящих через все шаги – поддерживающий весь процесс производства детали. В цифровом потоке выделяются следующие шаги:
- Выбор детали для АМ : идентификация деталей, которые идеально подходят для использования АМ.
- Создание/импорт модели : Импорт или создание модели детали.
- Функциональный алгоритмический дизайн : совершенствование дизайна детали для снижения веса и объединения деталей.
- Подготовка 3d печати : определение поддерживающих структур, ориентации печати и прочих аспектов.
- Моделирование печати : моделирование процесса 3d печати для прогнозирования деформаций.
- Компенсация детали : обеспечение компенсаций деформации детали.
- Распространение пакета печати : создание и надежная доставка пакета печати.
Сертификация в FAA
Первый в мире титановый компонент конструкции для Boeing 787 Dreamliner, изготовленный при помощи 3d принтера, и получивший сертификацию FAA (фотография Business Wire)
Хотя впереди еще много работы, но Boeing уже добилась значительно прорыва в АМ. Сегодня на борту самолетов Boeing используются более 50 000 компонентов, изготовленных при помощи 3d принтеров. В прошлом году компании Boeing и Norsk Titanium AS получили первый сертификат Федерального управления гражданской авиации (FAA) на производство на 3d принтере титанового элемента конструкции, который будет устанавливаться на самолетах Boeing 787 Dreamliner.
«Boeing добилась успеха со своей первой деталью конструкции, выполненной из расплава титановой проволоки, — сказал Макгоуэн. — Мы получили сертификат FAA на этот процесс. Но в применении процесса порошкового расплава нам еще предстоит проделать много работы. Мы должны показать, что этот процесс повторяемый. Для получения разрешения от FAA необходимо продемонстрировать им стабильность и повторяемость процесса».
Авиастроительная компания Airbus представила первый в мире самолет, созданный с помощью технологии 3D-печати. Самолет, получивший название Thor, представляет собой беспилотный летательный аппарат весом 21 кг, длиной чуть менее 4 метров и размахом крыла в 4 метра. На самолете установлены два электрических пропеллера; он также оснащен системой дистанционного управления. Все части самолета, за исключением электрической системы, выполнены с использованием технологии 3D-печати из полиамида в научной лаборатории Airbus в Гамбурге. Производство Thor заняло всего один месяц. Самолет уже выполнил свой первый полет, пролетев около 40 км из Гамбурга до завода Airbus в Штаде.
В общей сложности Airbus планирует произвести несколько десятков таких летательных аппаратов. Они будут использоваться для изучения возможностей 3D-печати в авиастроении, а также отработки инновационных решений, касающихся разных форм планера, крыла и других элементов конструкции. Thor состоит из 50 отдельных частей, сделанных на 3D-принтере, поскольку главной задачей первого этапа проекта было изучение различных вариантов силовой конструкции фюзеляжа. “Проект Thor станет нашей основной испытательной площадкой. Мы хотим понять, насколько технология 3D-печати позволит сократить темпы производства не только отдельных компонентов, но и всех систем самолета. В скором времени мы планируем выпустить такой же самолет, но уже с цельным корпусом, имеющим оптимизированное распределение нагрузки между несущей обшивкой и внутренними ребрами жесткости”, – отметил Питер Сэндлер, вице-президент Airbus по новым технологиям.
3D-печать – инновационная технология, которая является альтернативой полному производственному циклу и заменяет собой сразу несколько производственных процессов. Она позволяет производить более легкие детали (до 55% экономии в весе), сократить время производства, уменьшить количество промышленных отходов (5% против 95% при стандартном цикле), а также делать более сложные компоненты, изготовление которых другим способом невозможно.
Сначала на компьютере создается 3D-макет объекта, далее все данные обрабатываются системой принтера и начинается послойное формирование объекта из порошкового материала путем его плавления и дальнейшего спекания под действием высокоточного светового лазера, оптическая система которого в точности прочерчивает очертания модели в данном сечении. Так слой за слоем происходит наращивание объекта до тех пор, пока он не будет создан полностью. Данная технология позволяет “выращивать” детали не только из полиамида, но и из алюминия, стали и даже титана. Некоторые небольшие детали, такие как кронштейны для багажных полок, сделанные на 3D-принтере, уже летают на
Внедрение трехмерной печати – важный виток в развитии авиастроительной отрасли. Аддитивное производство рассматривается, как альтернатива фрезерованию, штамповке и литью. Использование 3D принтеров и объемного сканирования позволит облегчить летательный аппарат, а значит, сократить издержки на топливо и материалы.
Преимущества 3D печати в авиастроении
Намного проще. Традиционные технологии, которые используются в авиационной промышленности, базируются на ручной сварке, применении ЧПУ, фрезеровальных станков, литейных форм. Такой подход требует больших затрат труда, времени и сырья.
Метод селективного лазерного спекания, как и послойное наплавление, осуществляется в автоматическом режиме, являясь более быстрым и экономным.
Оборудование может работать круглосуточно. При этом количество отходов на 70-95% меньше. Готовые детали получаются легче, благодаря чему снижается вес машины.
В сравнении с классическими методами, аддитивная печать снимает производственные ограничения – можно делать высокоточные запчасти без предварительной подготовки производственной линии, упрощая этап прототипирования.
Самолеты, напечатанные на 3D принтере
Пионером отрасли стала компания GE Aviation. Производитель авиационных двигателей обратил внимание на то, что использование разных сплавов в детали существенно улучшает её физико-технические свойства и даёт возможность вывести летные характеристики самолета на принципиально новый уровень. Традиционный метод литья не позволяет объединить разные материалы в рамках одного технологического процесса.
В GE Aviation начали работать над усовершенствованием форсунок. Для производства одной детали необходимо по отдельности изготовить 20 элементов, после чего соединить их в одной запчасти. 3D принтер по металлу дает возможность изготовить деталь из цельного куска материала, экономя время и деньги. Опытные образцы форсунок прошли сертификацию в 2016 году. Теперь производитель намеривается выпускать по 25000 деталей в год, сделанных с помощью принтера для трехмерной печати.
В научной лаборатории Airbus пошли еще дальше. Инженеры из Гамбурга создали беспилотный летательный аппарат, напечатанный на 3D принтере. Примечательно, что речь идет почти обо всех элементах корпуса, кроме модуля дистанционного управления и электронных пропеллеров. Беспилотник назвали «Thor».
Четырехметровый самолет успешно поднялся в воздух и преодолел 40 километровый маршрут из Гамбурга в Штад, где совершил посадку на заводе компании. Проект носит экспериментальный характер. На нем будут тестировать разные конструкции фюзеляжа, планера, формы крыла и прочих элементов корпуса. На базе «Тора» сделают самолет с цельным корпусом, максимально приближенный к серийным моделям.
3D печать уже используется в серийных самолетах Airbus. В широкофюзеляжных лайнерах А350 устанавливается напечатанный кронштейн в составе пилона двигателя. Деталь изготавливается из титанового порошка. В экспериментальных моделях А350 и узкофюзеляжных А320neoтестируются более 1000 деталей, сделанных методом лазерного спекания. Среди них преимущественно элементы интерьера.
Производитель авиадвигателей Safran Helicopter Engines в 2017 году представила линейку газотурбинных двигателей Aneto. Компактный силовой агрегат на 30% мощнее, чем установки аналогичных размеров. При этом устройство остается надежным и экономичным. В процессе сборки используются компоненты, сделанные методом трехмерной печати – впускные направляющие лопатки и вращающаяся камера сгорания. Компания налетала 25 часов, 35 раз подняв машины в воздух, – проблем не обнаружено!
В России над внедрением аддитивных технологий в авиапромышленности работают Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов и Томский политехнический университет.
Команда ВИАМ тестирует 3D-печатные комплектующие в двигателях для самолетов МС-21. В процессе производства агрегата ПД-14 используется завихритель фронтового устройства камеры сгорания, изготовленный с помощью селективного лазерного спекания, что сокращает себестоимость и время производства запчасти в 10 раз.
В ТПУ работают над замещением литых титановых деталей самолета на 3D-печатные. Исследователи отмечают, что доля титана в гражданских авиалайнерах достигает 15-20%. Если заменить литье объемной печатью, получится снизить массу самолета, а вместе с ней и расходы на горючее, сборку и обслуживание. Специалисты сосредоточились над работой с порошками титановых сплавов ВТ6 и ВТ9. Задача состоит в том, чтобы оптимизировать использование материала и добиться высоких ТТХ.