En vigtig drivkraft bag den øgede brug af titanlegeringer er den udbredte anvendelse af kulfiberkompositter i rumfartsproduktion. Titaniumlegeringer og kulfiberkompositter udviser fremragende kompatibilitet og tilbyder ikke kun høj styrke og korrosionsbestandighed, men også effektiv vægtreduktion, hvilket gør dem særligt velegnede til områder med høje-belastninger og kritiske komponenter i kontakt med kompositmaterialer. Denne stigning i brugen af titanlegeringer udgør imidlertid en dobbelt udfordring for fly- og rumfartsproducenter: For det første er titanlegeringer høj-metaller, og traditionelle smedningsprocesser resulterer i ekstremt lav materialeudnyttelse, med op til 80 % til 95 % af råmaterialerne potentielt spildt under bearbejdning, hvilket udgør en udfordring for den menneskelige rumfartsindustri og bæredygtig udvikling. For det andet er kontinuerlig optimering af flyets ydeevne i stigende grad afhængig af mere effektivt og letvægts strukturelt design, mens traditionelle fremstillingsprocesser ofte står over for begrænsninger såsom høje omkostninger, lange gennemløbstider eller teknisk umulighed, når de opnår komplekse integrerede strukturer. Så er der en fremstillingsmetode, der samtidig kan løse det presserende spørgsmål om materialespild og frigøre det fremtidige potentiale for komplekse strukturelle designs? Airbus, en luftfartsproducent, har svaret på disse spørgsmål med sin wire-directed energy deposition (w-DED) additiv fremstillingsteknologi, som det har praktiseret i mange år.
Hvordan fungerer w-DED?
Airbus forklarer, at teknologien bruger en flerakset robotarm udstyret med en titanium-legering trådrulle, som bevæger sig præcist i overensstemmelse med en digital model. Ved at fokusere energi som laser-, plasma- eller elektronstråler på ledningen smeltes den øjeblikkeligt og aflejres lag for lag på et substrat. Overfladisk ligner processen svejsning, men den er faktisk fuldstændig styret af en tre-dimensionel model, der er i stand til at "printe" materialet nedefra og op til en såkaldt "blank del". Denne blanke del er allerede meget tæt på den endelige ønskede form, og opnår en "nær-netto-form"-tilstand, og der kræves kun hurtig efterbehandling for at opfylde de præcise dimensionskrav til delen.
Frigørelse af potentialet i strukturelle komponenter af titaniumlegering til store fly
Frigørelse af potentialet i strukturelle komponenter af titaniumlegering til store fly
Mens metal 3D-printteknologi har været brugt i rumfartsområdet i omkring et årti, har den tidligere primært været begrænset til små dele. "Powder bed" 3D-printsystemer bruges typisk til at fremstille dele, der er kortere end 60 centimeter (ca. to fod). I modsætning hertil har w-DED-teknologien gjort det muligt for Airbus at overvinde størrelsesbegrænsninger ved at producere store strukturelle komponenter af titanlegering på op til syv meter (over 23 fod) i længden. Den nye proces lover produktionshastigheder på flere kilo materiale i timen. Dette gør den industrielle-skala,-produktion af 3D-printteknologi mulig for strukturelle komponenter til store kommercielle fly.
Hjælper med at reducere spild af titanråmaterialer
I dagens stræben efter bæredygtig og slank fremstilling, kæmper traditionelle smedningsprocesser for at opfylde de strenge krav til omkostningskontrol og ressourceeffektivitet fra luftfartsproducenter. En af hovedårsagerne til, at Airbus introducerede DED additiv fremstilling, er for at undgå materialespild under behandlingen fra begyndelsen. Dette skyldes, at dele i DED additiv fremstilling dyrkes lag-for-lag på en næsten-netto-måde, der ligner den endelige designform, hvilket kun kræver minimal efterfølgende bearbejdning.
Forbedring af flyudviklings smidighed
Traditionelle formsmedningsprocesser kræver fremstilling af store, komplekse forme, en proces, der kan tage op til to år og kræver betydelige forudgående investeringer. I modsætning hertil er formen af 3D-printede dele fuldstændigt defineret af computerprogrammer, hvilket reducerer leveringscyklusser til blot et par uger. Den smidighed, som w-DED tilbyder, er særlig gavnlig for en jævn og rettidig fremstilling af den første prototype-selv mens detaljerede designs stadig finjusteres-og optimeres, understøtter teknologien hurtig iteration af fysiske komponenter, indtil hele flyet går i den endelige samling.
Første validering i A350-produktion
Airbus har for nylig påbegyndt masseproduktionsintegration af store komponenter, der er fremstillet ved hjælp af w-DED-teknologi i fragtdørens perimeterstruktur på A350-flyet. I denne udforskningsfase bliver disse specifikke dele, designet af Airbus, printet ved hjælp af plasma w-DED-teknologi af kvalificerede leverandører, derefter ultralydstestet af Testia Bremen og til sidst færdiggjort og samlet på Airbus' egne fabrikker. Disse dele er funktionelt og geometrisk identiske med de traditionelle smedede dele, de erstatter, men har opnået betydelige omkostningsbesparelser. Når man ser fremad, planlægger Airbus at bruge A350's w-DED-komponenter som udgangspunkt for gradvist at udvide denne teknologi til andre projekter og mere kritiske dele af flyet (på lang sigt, inklusive vinger og landingsstel).
Designet til DED
Endnu vigtigere, denne teknologi har givet anledning til det nye koncept "designet til DED." Ingeniører behøver ikke længere at nedbryde komplekse komponenter i flere uafhængige dele til separat fremstilling og samling; i stedet kan de designe dem som en enkelt, strukturelt optimeret integreret komponent og printe dem på én gang. Denne evne til at integrere flere dele i en enkelt komponent vil effektivt forenkle forsyningskæden, reducere monteringstrin og forkorte produktionscyklusser og derved fuldt ud realisere potentialet i næste-generations fly baseret på 3D-designkoncepter.
Fremme af fremstillingsanvendelse af nøglekomponenter
Airbus og dets partnere gør i øjeblikket store fremskridt med at samle erfaring med fremstilling af nøglekomponenter ved hjælp af w-DED-teknologi (wafer-to-find) og har opnået opmuntrende fremskridt. Ingeniører tester forskellige energikilder, herunder plasma, buesvejsning, elektronstråler og laserstråler, og evaluerer samtidig både "outsourcing" (kontraktudskrivning til eksterne producenter) og "intern produktion" (intern produktion). Desuden vil denne teknologi blive standardiseret på Airbus Group-niveau for at sikre dens anvendelse og promovering i hele virksomheden.
Systematisk fremme af luftdygtighedens logik
Det mest-krævende og udfordrende aspekt af luftdygtighedscertificering er anerkendelsen af sikkerhed, det vil sige, hvordan man beviser, at materialerne er sikre. Den internationale civile luftfartsfremstillingsindustri har oparbejdet erfaring gennem mange års praksis. Når vi nævner luftdygtighedscertificering, refererer vi faktisk til certificering af flydele, som involverer tre aspekter: materialer, processer og design. Additiv fremstilling-3D-printteknologi-involverer alle tre elementer. For det første er additiv fremstilling en fremstillingsproces. I mellemtiden kræver maksimering af værdien af denne teknologi design til additiv fremstilling. Brug af nye materialer til additiv fremstilling af dele tilføjer endnu et element, der kræver sikkerhedsverifikation. Derfor er den sikreste tilgang at løse dette problem trin for trin og minimere risici. Airbus' tilgang til fremstilling af additiv af titaniumlegeringer af DED afspejler den "tre-trins" luftdygtighedslogik, der blev diskuteret i interviewet ovenfor. For det første blev pålideligheden af selve w-DED-processen verificeret, idet man startede med sekundære-lastbærende strukturer som A350-lastdøre, samtidig med at materialer og design var uændret. Derefter udvidede det sig gradvist til primære{20}lastbærende strukturer, hvilket fremmede optimering "designet til DED". I øjeblikket er fokus på at frigøre traditionelle materialers potentiale med nye processer, frem for samtidig at udfordre helt nye veje i materialer, processer og design. Denne trinvise, risiko{21}}kontrollerede tilgang afspejler ikke kun den nødvendige rytme i industrialiseringen, men afslører også essensen af additiv fremstilling til luftfartsindustrien-det er ikke kun teknologisk innovation, men også et systematisk projekt med "opbygning af tillid". Hvordan man transformerer teknologisk innovation til pålidelig værdi, der kan certificeres og masseproduceres inden for rammerne af luftdygtighed, og den underliggende timing, risikostratificering og verifikationslogik, kan være mere værdig til industriens dybe overvejelser end specifikke tekniske detaljer.