Jak obniżyć wagę samolotu i przy okazji emisję CO2?

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

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

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)

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

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

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.