Vantagens técnicas da impressão 3D no campo aeroespacial

Como uma tecnologia representativa típica no campo de fabricação da terceira revolução industrial, o desenvolvimento da impressão 3D sempre atraiu a atenção generalizada de todas as esferas da vida. A tecnologia de fabricação de aditivos de alto desempenho de metal (tecnologia de impressão 3D de metal) é considerada por especialistas da indústria como um ramo de desenvolvimento difícil e de alto padrão no campo da impressão 3D, e desempenha um papel fundamental na fabricação industrial. O Urso Antártico também tem prestado atenção ao desenvolvimento da impressão 3D em metal. Hoje em dia, as empresas de manufatura industrial em todo o mundo estão pesquisando vigorosamente e desenvolvendo tecnologia de fabricação de aditivos metálicos, especialmente empresas de manufatura aeroespacial, até gastando muitos recursos financeiros e materiais para aumentar os esforços de pesquisa e desenvolvimento para garantir sua liderança tecnológica.

No contexto da estratégia de retorno de manufatura dos EUA e da Indústria Alemã 4.0, o ambiente internacional também fornece à impressão 3D uma nutrição indispensável para seu crescimento. Quer se trate do recém-criado National Additive Manufacturing Center nos Estados Unidos ou do British Technology Strategy Committee, a indústria aeroespacial é a principal área de aplicação para tecnologia de fabricação aditiva. Em outubro de 2012, Lu Yongxiang, ex-presidente da Academia Chinesa de Ciências e vice-presidente do Congresso Nacional do Povo, deixou claro que a tecnologia 3D da China também será aplicada pela primeira vez no campo aeroespacial.

Como a pérola brilhante na coroa da indústria, o campo de fabricação aeroespacial integra todas as tecnologias de alta tecnologia de um país, e é o campo de garantia de apoio onde o plano estratégico nacional pode ser implementado e a situação política pode ser exibida. Como uma tecnologia de fabricação totalmente nova, a tecnologia 3D de metal tem vantagens de aplicação excepcionais no campo aeroespacial e benefícios de serviço óbvios. Reflete-se principalmente nos seguintes aspectos:

(1) Encurtar o ciclo de pesquisa e desenvolvimento de novos equipamentos aeroespaciais

A tecnologia aeroespacial é um símbolo da força de defesa nacional e uma manifestação da política nacional. A competição entre os países do mundo é extremamente feroz. Portanto, todos os países querem tentar desenvolver armas e equipamentos mais novos em uma velocidade mais rápida para se tornarem invencíveis no campo da defesa nacional. A tecnologia de impressão 3D de metal encurta muito o processo de fabricação de peças metálicas de alto desempenho, especialmente peças estruturais de grande desempenho. Não há necessidade de desenvolver moldes usados no processo de fabricação de peças, o que encurtará muito o ciclo de desenvolvimento e fabricação do produto.

Li Daguang, professor do Departamento de Logística Militar e Equipamento de Ciência e Tecnologia Militar da National Defense University, disse que nas décadas de 1980 e 1990, levaria pelo menos 10-20 anos para desenvolver uma nova geração de jatos de combate. A vantagem mais proeminente da tecnologia de impressão 3D é que não requer usinagem ou quaisquer moldes, peças de qualquer forma podem ser geradas diretamente a partir de dados de computação gráfica, portanto, se a tecnologia de impressão 3D e outras tecnologias da informação forem usadas, um novo jato de combate pode ser desenvolvido em pelo menos três anos. Juntamente com a alta flexibilidade, alto desempenho e características de fabricação flexíveis da tecnologia, bem como a prototipagem rápida livre de peças complexas, A impressão 3D de metal brilhará no campo aeroespacial e fornecerá forte suporte técnico para a fabricação de equipamentos de defesa.

A parte central do flange da aeronave doméstica C919 é uma aplicação típica da tecnologia de impressão 3D de metal no campo da aviação. Esta parte estrutural tem mais de 3 metros de comprimento e é a parte estrutural aeroespacial mais longa produzida pela impressão 3D em metal do mundo. Se o método de fabricação tradicional for usado, esta parte precisa ser forjada por uma prensa de tonelagem super grande, que não é apenas demorada e trabalhosa, mas também desperdiça matérias-primas. Atualmente, não há equipamentos na China que possam produzir peças estruturais em grande escala.

Portanto, a fim de garantir o processo de desenvolvimento e segurança da aeronave, devemos encomendar esta parte do exterior, e o ciclo de vida desde a encomenda até a instalação é de mais de 2 anos, o que dificulta seriamente o progresso da pesquisa e desenvolvimento de aeronaves. A faixa de flange central impressa pela tecnologia de impressão 3D de metal levou cerca de um mês para ser desenvolvida, e sua resistência estrutural atingiu ou até excedeu o padrão para peças forjadas, que cumpriam integralmente os padrões de aviação. O uso da tecnologia de impressão 3D de metal encurtou muito o desenvolvimento das grandes aeronaves do meu país, permitindo que o trabalho de desenvolvimento prossiga sem problemas.

(2) Melhorar a taxa de utilização de materiais, economizar materiais estratégicos caros e reduzir os custos de fabricação

E este é apenas um microcosmo da aplicação da tecnologia de impressão 3D de metal no campo aeroespacial.

A maioria dos campos de manufatura aeroespacial está usando materiais estratégicos caros, como materiais metálicos difíceis de processar, como ligas de titânio e superligas à base de níquel. A taxa de utilização de materiais em métodos de fabricação tradicionais é muito baixa, geralmente não mais do que 10%, ou mesmo apenas 2%-5%. O enorme desperdício de materiais também significa que os procedimentos de usinagem são complicados e o período de produção é longo. Se for uma parte técnica difícil de processar, o ciclo de processamento será bastante aumentado e o ciclo de fabricação será significativamente estendido, resultando em um aumento nos custos de fabricação.

A tecnologia de impressão 3D de metal, como uma tecnologia de modelagem quase líquida, pode ser colocada em uso com apenas uma pequena quantidade de processamento de acompanhamento, e a taxa de utilização de materiais atingiu 60%, às vezes até atingindo mais de 90%. Isso não apenas reduz os custos de fabricação e economiza matérias-primas, mas também está de acordo com a estratégia de desenvolvimento sustentável proposta pelo país.

Em um simpósio realizado pela Academia Chinesa de Ciências em 2014, O professor Wang Huaming, da Universidade Beihang, disse uma vez que a China agora pode imprimir a moldura da janela de vidro da cabine da aeronave C919 em apenas 55 dias. Wang Huaming também disse que uma empresa europeia de fabricação de aeronaves disse que levaria pelo menos 2 anos para produzir a mesma coisa, e custaria 2 milhões de dólares americanos para fazer o molde sozinho. No entanto, o uso da tecnologia de impressão 3D pela China não apenas encurta o ciclo de produção, melhora a eficiência, mas também economiza matérias-primas, o que reduz muito os custos de produção.

(3) Otimizar a estrutura das peças, reduzir o peso, reduzir a concentração de estresse e aumentar a vida útil

Para armas e equipamentos aeroespaciais, a redução de peso é um tema eterno. Pode não só aumentar a flexibilidade do equipamento de voo durante o voo, mas também aumentar a capacidade de carga, economizar combustível e reduzir o custo de voo. No entanto, o método de fabricação tradicional já maximizou a redução de peso das peças e não é realista exercer ainda mais a capacidade sobressalente.

No entanto, a aplicação da tecnologia 3D pode otimizar a estrutura de peças complexas. Sob a premissa de garantir o desempenho, a estrutura complexa pode ser transformada e redesenhada em uma estrutura simples, reduzindo assim o peso. Além disso, ao otimizar a estrutura das peças, o estresse das peças pode ser apresentado na distribuição mais racional, reduzindo o risco de rachaduras por fadiga, aumentando assim a vida útil. Realize o controle de temperatura através da estrutura do canal de fluxo interno razoável e complexa, de modo a otimizar o projeto e o uso deMateriais DLP(Liqcreate cera castable eModelo premium liqcreate), Ou realizar moldagem livre arbitrária de diferentes partes através da composição de materiais, de modo a atender aos padrões de uso.

O trem de pouso de um avião de caça é uma peça fundamental que carrega alta carga e alto impacto, o que requer peças com alta resistência e alta resistência ao impacto. O trem de pouso fabricado pela tecnologia 3D no avião de combate americano F16 não apenas atende aos padrões de uso, mas também tem uma vida útil média de 2,5 vezes maior que a do original.

(4) Reparação e formação de peças

Além do uso da tecnologia de impressão 3D de metal na produção e fabricação, seu valor de aplicação na reparação de peças de metal de alto desempenho não é de modo algum menor do que sua própria fabricação. No que diz respeito à situação atual, o potencial da tecnologia de impressão 3D de metal na modelagem de reparos é ainda maior do que sua própria fabricação.

Veja as peças de blisk da turbina integral de alto desempenho como exemplo. Quando uma certa lâmina no disco é danificada, todo o blisk da turbina será descartado e a perda econômica direta vale mais de um milhão. Comparado com o passado, este tipo de perda pode ser irreparável e comovente, mas com base nas características da impressão 3D camada por camada de fabricação, nós só precisamos considerar a lâmina danificada como um substrato especial, e realizar a formação tridimensional do laser na parte danificada, a forma da peça pode ser restaurada, E o desempenho atende aos requisitos de uso, ainda maior do que o material de base. Devido à controlabilidade do processo de impressão 3D, o impacto negativo de seu reparo é muito limitado.

Na verdade, as peças impressas em 3D são mais fáceis de reparar e combinar melhor. Comparado com outras tecnologias de fabricação, no processo de reparo 3D, devido à lacuna entre o processo de fabricação e os parâmetros de reparo, é difícil manter a consistência da área de reparação e do substrato em termos de tecido, composição e desempenho. Mas esse problema não existe ao reparar peças formadas em 3D. O processo de reparo pode ser considerado como uma continuação do processo de fabricação aditiva, e a área de reparo e o substrato podem alcançar uma combinação ideal. Isso realiza um círculo virtuoso no processo de fabricação de peças, reparo de baixo custo de fabricação de baixo custo = alto benefício econômico.

(5) Cooperar com a tecnologia de fabricação tradicional e se complementam

A tecnologia de fabricação tradicional é adequada para a produção de produtos em forma de grande volume, enquanto a tecnologia de impressão 3D é mais adequada para a fabricação de produtos estruturais personalizados ou refinados. Combinando tecnologia de impressão 3D e tecnologia de fabricação tradicional, cada um baseia-se em seus pontos fortes, dá pleno desempenho às suas respectivas vantagens e torna a tecnologia de fabricação mais poderosa.

Por exemplo, para peças que exigem desempenho de alta qualidade na superfície, mas desempenho médio no centro, técnicas de fabricação tradicionais podem ser usadas para produzir peças em formato central, e, em seguida, a tecnologia de estereoformação a laser pode ser usada para formar peças de superfície diretamente nessas partes centrais. Desta forma, são produzidas peças com alto desempenho de superfície e requisitos gerais de centro, o que economiza a complexidade do processo e reduz o processo de produção. Esta combinação complementar tem importante valor de aplicação prática na produção e fabricação de peças.

Além disso, para componentes com uma estrutura externa simples, mas uma estrutura interna complexa, quando a tecnologia de fabricação tradicional é usada para fabricar a estrutura complexa interna, o processo é complicado e os procedimentos de processamento subsequentes são complicados, o que resulta em custos de produção e prolonga o ciclo de produção. O uso externo da tecnologia de fabricação tradicional e o uso interno da tecnologia de impressão 3D estão diretamente próximos da forma da rede, de modo que apenas um pequeno número de processos de acompanhamento pode completar a fabricação do produto. Isso encurta o ciclo de produção, reduz custos e permite a combinação perfeita de tecnologia tradicional e nova tecnologia para alcançar interoperabilidade e complementaridade.

Como o principal campo de aplicação da tecnologia de impressão 3D, a indústria aeroespacial tem vantagens técnicas óbvias, mas isso não significa que a impressão 3D em metal seja onipotente. Na produção real, ainda há muitos problemas a serem resolvidos em sua aplicação técnica. Por exemplo, atualmente, a impressão 3D não pode se adaptar à produção em massa, não pode atender aos requisitos de alta precisão e não pode alcançar a fabricação de alta eficiência. Além disso, um fator chave que restringe o desenvolvimento da impressão 3D é o alto custo de seu equipamento, e a maioria dos campos civis não pode arcar com esses altos custos de fabricação de equipamentos. No entanto, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de materiais, tecnologia de computador e tecnologia de laser, os custos de fabricação continuarão a diminuir para atender à capacidade da indústria de manufatura de arcar com os custos de produção. Naquela época, a impressão 3D iluminará o campo de fabricação.