Одним из ключевых факторов роста использования титановых сплавов является широкое применение композитов из углеродного волокна в аэрокосмической промышленности. Титановые сплавы и композиты из углеродного волокна демонстрируют превосходную совместимость, обеспечивая не только высокую прочность и устойчивость к коррозии, но и эффективное снижение веса, что делает их особенно подходящими для областей с высокими-напряжениями и критически важных компонентов, контактирующих с композитными материалами. Однако такой всплеск использования титановых сплавов представляет собой двойную проблему для производителей аэрокосмической продукции: во-первых, титановые сплавы представляют собой ценные-металлы, а традиционные процессы ковки приводят к чрезвычайно низкому использованию материала, при этом до 80–95 % сырья потенциально теряется в процессе механической обработки, что создает проблему для стремления аэрокосмической отрасли к бережливому производству и устойчивому развитию. Во-вторых, непрерывная оптимизация характеристик самолетов все больше опирается на более эффективную и легкую конструкцию конструкции, в то время как традиционные производственные процессы часто сталкиваются с ограничениями, такими как высокие затраты, длительные сроки выполнения заказов или техническая неосуществимость при создании сложных интегрированных структур. Итак, существует ли метод производства, который может одновременно решить насущную проблему материальных отходов и раскрыть будущий потенциал сложных структурных конструкций? Компания Airbus, производитель аэрокосмической техники, ответила на эти вопросы своей технологией аддитивного производства с проволочным-направленным осаждением энергии (w-DED), которую она применяет на практике уже много лет.
Как работает w-DED?
В Airbus поясняют, что в этой технологии используется много-роботизированный манипулятор, оснащенный проволочной катушкой из титанового сплава, которая движется точно в соответствии с цифровой моделью. Фокусируя на проволоке энергию, такую как лазерные, плазменные или электронные лучи, она мгновенно плавится и слой за слоем наносится на подложку. Внешне этот процесс напоминает сварку, но на самом деле он полностью контролируется трехмерной моделью, способной «печатать» материал снизу вверх в так называемую «заготовку». Эта заготовка уже очень близка к окончательной желаемой форме, достигая состояния «почти-чистой-формы», и для соответствия точным требованиям к размерам детали требуется только быстрая финишная обработка.
Раскрытие потенциала структурных компонентов из титановых сплавов для больших самолетов
Раскрытие потенциала структурных компонентов из титановых сплавов для больших самолетов
Хотя технология 3D-печати металлом используется в аэрокосмической области уже около десяти лет, ранее она в основном ограничивалась небольшими деталями. Системы 3D-печати с «порошковым слоем» обычно используются для изготовления деталей длиной менее 60 сантиметров (около двух футов). Напротив, технология w-DED позволила Airbus преодолеть ограничения по размеру, производя крупные конструкционные элементы из титанового сплава длиной до семи метров (более 23 футов). Новый процесс обещает скорость производства в несколько килограммов материала в час. Это делает возможным промышленное-масштабное-производство технологии 3D-печати для структурных компонентов крупных коммерческих самолетов.
Помощь в сокращении отходов титанового сырья
В сегодняшнем стремлении к устойчивому и экономичному производству традиционные процессы ковки с трудом отвечают строгим требованиям контроля затрат и эффективности использования ресурсов, предъявляемым производителями аэрокосмической промышленности. Одна из ключевых причин, по которой Airbus внедрила аддитивное производство DED, заключается в том, чтобы с самого начала избежать потерь материала во время обработки. Это связано с тем, что при аддитивном производстве DED детали выращиваются слой-за-слоем, придавая почти-конечную- форму, очень напоминающую конечную форму конструкции, и требующую лишь минимальной последующей механической обработки.
Повышение гибкости разработки самолетов
Традиционные процессы штамповки требуют изготовления больших и сложных форм, этот процесс может занять до двух лет и требует значительных первоначальных инвестиций. Напротив, форма 3D-деталей полностью определяется компьютерными программами, что сокращает цикл поставки до нескольких недель. Гибкость, обеспечиваемая w-DED, особенно полезна для беспрепятственного и своевременного изготовления первого прототипа,-даже когда детальные проекты все еще находятся на стадии точной-настройки и оптимизации, технология поддерживает быструю итерацию физических компонентов, пока весь самолет не войдет в окончательную сборку.
Первая проверка в производстве A350
Недавно Airbus начал массовое производство интеграции крупных компонентов, изготовленных с использованием технологии w-DED, в конструкцию периметра грузовой двери самолета A350. На этом исследовательском этапе эти конкретные детали, разработанные Airbus, печатаются с использованием плазменной технологии w-DED квалифицированными поставщиками, затем подвергаются ультразвуковому контролю в Testia Bremen и, наконец, доводятся до окончательной обработки и собираются на собственных заводах Airbus. Эти детали функционально и геометрически идентичны традиционным кованым деталям, которые они заменяют, но при этом достигается значительная экономия средств. Заглядывая в будущее, Airbus планирует использовать компоненты w-DED A350 в качестве отправной точки для постепенного распространения этой технологии на другие проекты и более важные части самолета (в долгосрочной перспективе, включая крылья и шасси).
Разработано для DED
Что еще более важно, эта технология породила новую концепцию «разработано для DED». Инженерам больше не нужно разбивать сложные компоненты на несколько независимых частей для отдельного производства и сборки; вместо этого они могут спроектировать их как единый структурно оптимизированный интегрированный компонент и распечатать за один раз. Эта возможность объединить несколько деталей в один компонент эффективно упростит цепочку поставок, сократит этапы сборки и сократит производственные циклы, тем самым полностью реализовав потенциал самолетов следующего-поколения, основанных на концепциях 3D-проектирования.
Содействие производству ключевых компонентов
В настоящее время Airbus и ее партнеры добиваются больших успехов в накоплении опыта производства ключевых компонентов с использованием технологии w-DED (wafer-to-finder) и добились обнадеживающего прогресса. Инженеры тестируют различные источники энергии, включая плазму, дуговую сварку, электронные и лазерные лучи, и одновременно оценивают стратегии «аутсорсинга» (заказ печати внешним производителям) и «собственного производства» (внутреннее производство). Кроме того, эта технология будет стандартизирована на уровне Airbus Group, чтобы обеспечить ее применение и продвижение во всей компании.
Систематическое развитие логики летной годности
Самый трудоемкий-и сложный аспект сертификации летной годности — это признание безопасности, то есть как доказать, что материалы безопасны. Международная индустрия гражданской авиации накопила опыт за многие годы практики. Когда мы говорим о сертификации летной годности, мы на самом деле имеем в виду сертификацию деталей самолетов, которая включает в себя три аспекта: материалы, процессы и конструкцию. Аддитивное производство-Технология 3D-печати-включает в себя все три элемента. Во-первых, аддитивное производство — это производственный процесс. Между тем, максимизация ценности этой технологии требует разработки аддитивного производства. Использование новых материалов в аддитивном производстве деталей добавляет еще один элемент, требующий проверки безопасности. Поэтому самый безопасный подход — решать эту проблему поэтапно, минимизируя риски. Подход Airbus к аддитивному производству DED из титановых сплавов отражает «трехэтапную» логику летной годности, обсуждавшуюся в интервью выше. Во-первых, начиная с вторичных несущих-конструкций, таких как грузовые двери А350, была проверена надежность самого процесса w-DED при сохранении неизменных материалов и конструкции. Затем оно постепенно распространилось на основные несущие-несущие конструкции, способствуя оптимизации, «предназначенной для DED». В настоящее время основное внимание уделяется раскрытию потенциала традиционных материалов с помощью новых процессов, а не одновременному поиску совершенно новых путей в материалах, процессах и дизайне. Этот поэтапный подход,-контролируемый рисками, не только отражает необходимый ритм индустриализации, но и раскрывает суть аэрокосмического аддитивного производства.-Это не просто технологические инновации, но и систематический проект «построения доверия». Как превратить технологические инновации в надежную ценность, которая может быть сертифицирована и серийно произведена в рамках летной годности, а также лежащие в ее основе сроки, стратификацию рисков и логику проверки, возможно, более достойны глубокого внимания отрасли, чем конкретные технические детали.