Jak Airbus wyznacza nowe standardy w produkcji lotniczejdzięki drukowi 3D z tytanu

Wyobraź sobie przemysł lotniczy, w którym najtrudniejsze konstrukcyjnie elementy samolotu – części narażone na duże obciążenia i zmęczenie materiału – nie są już wycinane z bloków metalu, jak ma to miejsce obecnie, lecz „rosną” z drutu. Taka wizja zaczyna się urzeczywistniać w zakładach Airbusa, które przygotowują się na przyszłość.

Technologią, o której mowa, jest technika druku 3D zwana wire-Directed Energy Deposition (w-DED). Wykorzystuje ona nowatorskie podejście do addytywnego wytwarzania z tytanu, umożliwiając tworzenie konstrukcyjnych elementów samolotów przy znacznie mniejszym zużyciu materiału niż w przypadku tradycyjnych metod ubytkowych, takich jak obróbka skrawaniem czy kucie.

 

Jak działa w-DED?

Technika ta wykorzystuje wieloosiowe ramię robota, wyposażone w szpulę z drutem tytanowym, poruszające się z cyfrową precyzją. Energia w postaci lasera, plazmy lub wiązki elektronów jest skupiana na drucie, który natychmiast się topi i jest nakładany warstwa po warstwie na powierzchnię. Proces ten przypomina spawanie, jednak prowadzony jest na podstawie modelu 3D, dzięki czemu obiekt powstaje „od podstaw” w formie tzw. półwyrobu (blanku). Ma on kształt bardzo zbliżony do finalnego („near net shape”), a następnie poddawany jest niewielkiej obróbce skrawaniem w celu uzyskania dokładnych wymiarów.

 

w-DED – druk 3D dla dużych elementów

Choć druk 3D metali w lotnictwie stosowany jest od około dekady, dotychczas wykorzystywano go głównie do produkcji małych komponentów. Konwencjonalne systemy, tzw. drukarki proszkowe, były optymalizowane dla części o długości poniżej ok. 60 cm.

Technologia w-DED pozwala natomiast Airbusowi przejść od małych elementów do produkcji dużych, konstrukcyjnych części tytanowych o długości nawet do 7 metrów. Nowy proces jest również znacznie szybszy – wydajność rośnie z setek gramów na godzinę do kilku kilogramów na godzinę. To przełom, który może uczynić druk 3D realnym rozwiązaniem dla przemysłowej produkcji wielkoseryjnej dużych elementów konstrukcyjnych samolotów.

 

 

Ograniczenie strat materiału tytanowego

Dlaczego tytan? Metal ten jest kluczowy w lotnictwie ze względu na swoją wytrzymałość, lekkość oraz kompatybilność z nowoczesnymi kompozytami z włókna węglowego (m.in. odporność na korozję i właściwości termiczne). Jednocześnie jest materiałem bardzo kosztownym, dlatego jego oszczędne wykorzystanie ma ogromne znaczenie.

W tradycyjnych metodach, takich jak kucie i obróbka z bloku, powstaje duża ilość odpadów. Określa się to wskaźnikiem buy-to-fly – stosunkiem ilości zakupionego materiału do tego, który faktycznie trafia do samolotu. W praktyce oznacza to, że od 80% do 95% tytanu podlega recyklingowi.

W przypadku w-DED odpady są ograniczone już na etapie produkcji, ponieważ element powstaje w kształcie bardzo zbliżonym do finalnego, co minimalizuje ilość materiału usuwanego w obróbce końcowej.

 

Większa elastyczność w projektowaniu samolotów

Tradycyjne kucie matrycowe wymaga wykonania kosztownych i złożonych narzędzi, których przygotowanie może trwać nawet dwa lata. W technologii druku 3D kształt części określa program komputerowy, co skraca czas przygotowania do kilku tygodni.

Elastyczność w-DED jest szczególnie cenna na etapie budowy pierwszych prototypów samolotów, gdy konstrukcja wciąż jest optymalizowana.

 

Pierwsze zastosowania w produkcji A350

Airbus rozpoczął już seryjną integrację największych elementów wykonanych metodą w-DED w obszarze ramy drzwi ładunkowych samolotu A350. Części te zostały wydrukowane przez certyfikowanego dostawcę, poddane kontroli ultradźwiękowej, a następnie obrobione i zamontowane w zakładach Airbusa.

Elementy te są funkcjonalnie i geometrycznie identyczne z tradycyjnie kutymi odpowiednikami, ale pozwalają na realne oszczędności kosztów. W przyszłości planowane jest zastosowanie tej technologii w bardziej krytycznych komponentach, m.in. w skrzydłach i podwoziu.

 

 

„Projektowanie pod DED”

Nowa technologia umożliwia także podejście „designed for DED”. Zamiast projektować komponent jako złożenie wielu części, inżynierowie mogą tworzyć jeden, zoptymalizowany element, który powstaje w całości w procesie druku 3D. Pozwala to uprościć łańcuch dostaw, ograniczyć montaż i skrócić czas produkcji.

 

Wyścig trwa

W Airbusie oraz u jego partnerów trwa intensywny rozwój technologii w-DED dla zastosowań krytycznych. Inżynierowie testują różne źródła energii (plazmę, łuk elektryczny, wiązki elektronowe i laserowe) oraz analizują modele produkcji – zarówno outsourcing, jak i wytwarzanie wewnętrzne.

Ponieważ rozwój technologii prowadzony jest na poziomie całej grupy Airbus, wypracowane rozwiązania mają szansę stać się standardem przemysłowym stosowanym w całej organizacji.

 

Źródło: Airbus