Jak obniżyć wagę samolotu i przy okazji emisję CO2?

Jak obniżyć wagę samolotu i przy okazji emisję CO2?

06/05/2020
Artykuł promocyjny

Szacuje się, że obniżenie wagi samolotu o jeden kilogram wystarczy do tego, aby maszyna w ciągu całego życia wyemitowała o 25 ton dwutlenku węgla mniej. Ta zaskakująca prawda jest powodem, dla którego redukcja wagi jest uważana za Świętego Graala w inżynierii lotniczej.

 
Potencjał redukcji emisji CO2 dzięki obniżeniu masy samolotu powoduje, że producenci szukając lżejszych i bardziej wytrzymałych materiałów, coraz częściej korzystają z druku 3D. Przemysł lotniczy bardzo wcześnie wprowadził proces wytwarzania addytywnego (Additive Manufacturing – AM) i nadal w dużym stopniu przyczynia się do jego rozwoju.

Niektóre firmy z branży zaczęły korzystać z tej technologii już w 1989 r., a czołowe koncerny stale zwiększają wykorzystanie druku 3D w celu przyspieszenia procesów produkcyjnych, oszczędności kosztów i zmniejszenia zużycia paliwa przez samoloty. Dla Airbusa (EADSF) i Boeinga (BA) wprowadzenie AM pomogło również zmniejszyć zapotrzebowanie na drogie, tradycyjnie odlewane narzędzia, które muszą być produkowane z dużym wyprzedzeniem i nie zawsze można je modyfikować.

Przewiduje się, że do 2021 r. 75% nowych samolotów komercyjnych i wojskowych będzie zawierać wiele części drukowanych w 3D, które są lepsze niż te wykonane tradycyjnymi metodami, a przede wszystkim lżejsze od oryginału – czasami o ponad 70%

Airbus wytwarza addytywnie komponenty, które ważą o 55% mniej, dodatkowo redukując zużycie surowców do 90% oraz obniżając ilość odpadów.

Jakie elementy do samolotów mogą zostać wyprodukowane w 3D
Ze względów bezpieczeństwa z technologii druku 3D nie korzysta się w produkcji tak zwanych części krytycznych, narażonych na największe przeciążenia. Technologie addytywne wykorzystuje się za to między innymi do produkcji wsporników podtrzymujących różne instalacje w samolocie, ale też coraz częściej widocznych elementów kabiny.

Boeing testuje obecnie wytwarzanie przyrostowe większych struktur, np. części skrzydeł. Koncern od 1997 roku prowadzi prace badawczo-rozwojowe w dziedzinie zastosowania druku 3D w produkcji samolotów. Dziś posiada ponad 60000 części wydrukowanych w 3D, które można znaleźć zarówno w maszynach komercyjnych jak i wojskowych.

Klamry do pasów bezpieczeństwa drukowane w 3D

Klamry do pasów bezpieczeństwa drukowane w 3D

Airbus w kabinach samolotów A320 latających w barwach Finnair produkuje przyrostowo widoczne dla pasażerów, panele wypełniające luki w rzędzie schowków ponad siedzeniami. Z kolei w niektórych samolotach testowych A320neo i A350 XWB wydrukowano w 3D metalowe wsporniki kabinowe i rury odpowietrzające.

Jedną z głównych zalet druku 3D jest to, że upraszcza złożone części. Dzięki technologiom addytywnym takim jak na przykład SLS lub MJF wiele złożonych części, który wcześniej zbudowano z połączenia wielu komponentów, można zredukować do jednego. GE jest tego dobrym przykładem.

Stosując tradycyjne metody produkcji, do zbudowania dyszy paliwowej w silnikach LEAP, wykorzystywano złożenie z 20 różnych części.

Stosując produkcję addytywną zintegrowano ją w pojedynczym elemencie, którego wytrzymałość wzrosła pięciokrotnie, a masa spadła o 25%

Silnik odrzutowy LEAP

Silnik odrzutowy LEAP

Dzięki nakładaniu warstw na materiał tylko tam, gdzie jest to potrzebne – na przykład w punktach nacisku – technologie przyrostowe znacznie zmniejszają wagę samolotów, co w przypadku GE i optymalizacji dyszy doprowadziło do oszczędności w zużyciu paliwa o 15%.

Dysze drukowane w 3D są obecnie w produkcji seryjnej, a GE do końca 2019 roku addytywnie wyprodukowało ich już ponad 30 000.

Aerosport Modeling & Design jako firma specjalizująca się w opracowywaniu eksperymentalnych samolotów korzysta z technologii HP MJF 3D w przekształcaniu sterów, redukując liczbę jego elementów z 26 do 4, co zdecydowanie przyspiesza montaż. Wiele samolotów ma sztywny zaczep trymowania, który można regulować na ziemi przez zginanie, aby zmniejszyć potrzebę popychania steru przez pilota, ale są też takie, które można regulować w locie. Integracja takiego układu pozwala pilotowi na bardziej płynną regulację kierunku lotu i opadania, ale przede wszystkim przyspiesza wymianę zużytych elementów.

Elementy produkowane przez Aerosport w CNC vs. odpowiedniki drukowane w MJF (zredukowana ilość części)

Elementy produkowane przez Aerosport w CNC vs. odpowiedniki drukowane w MJF (zredukowana ilość części)

Druk 3D kształtuje przyszłość konserwacji, napraw i przeglądów samolotów
Satair, firma podwykonawcza Airbusa, chciała przyspieszyć konserwację samolotów poprzez produkcję narzędzi na żądanie. Podczas wspólnego projektu pilotażowego z Fast Radius, który specjalizuje się w addytywnej produkcji na żądanie, zaprojektowano i wyprodukowano w technologii HP Multi Jet Fusion trzy nowe narzędzia: podkładki GAGS, narzędzia do wyrównywania łożysk łopatkowych i do blokowania klap w pozycji zerowej.

Narzędzie do blokowania klap w pozycji zerowej, wydruk MJF

Narzędzie do blokowania klap w pozycji zerowej, wydruk MJF

Kolorowa drukarka 3D HP Jet Fusion 580 została specjalnie wybrana do tej aplikacji ze względu na szereg zalet, w tym: właściwości mechaniczne oferowanych wydruków i przyspieszenie czasu projektowania. Oprócz pełnego spektrum kolorów, druk HP 3D umożliwia wytwarzanie części o optymalnych właściwościach mechanicznych i pozwala na wielokrotne iteracje projektu, co znacznie skraca czas rozwoju produktu.


Ze względu na wymagania dotyczące wytrzymałości, jakie narzędzia muszą spełniać, wybrano materiał HP 3D High Reusability PA 12 – termoplastyczny poliamid o doskonałej odporności chemicznej na oleje, smary, węglowodory alifatyczne i zasady.

Druk HP 3D zapewnia również nowe sposoby przekazywania informacji, takich jak logo firmy, numery seryjne, a nawet kody QR drukowane bezpośrednio na narzędziu.

Kod QR drukowany bezpośrednio na elemencie montażowym, technologia MJF

Kod QR drukowany bezpośrednio na elemencie montażowym, technologia MJF

Oprócz samego przyspieszenia procesu produkcji udało się również skrócić łańcuch dostaw, korzystając z tzw. wirtualnych magazynów Fast Radius, pozwalających na druk potrzebnego narzędzia z cyfrowego pliku zarchiwizowanego w chmurze.

Według różnych raportów rynkowych przemysł lotniczy stanowi około 20% rynku AM, oferującego liczne korzyści dla tego sektora – od konsolidacji części, zmniejszenia zapasów, po obniżenie kosztów operacyjnych i zużycia paliwa. Obniżenie masy wpływające na zmniejszenie emisji CO2 następuje również dzięki zoptymalizowanym, rewolucyjnym projektom możliwym do wytworzenia jedynie przyrostowo.

Rewolucja 3D w branży lotniczej dokonuje się zatem w dużej mierze dzięki rozwojowi technologii i materiałów do druku 3D, a nowo wytwarzane komponenty można wprowadzić do aktualnie eksploatowanych samolotów, a nie tylko maszyn nowej generacji.