Bagaimana Cetak 3D Meningkatkan Inovasi dan Efisiensi Penerbangan Antariksa

Industri penerbangan antariksa adalah lingkungan yang sangat menuntut. Memerlukan elemen yang tak tertandingi yang akan mampu menahan aus berkelanjutan, dan kondisi tekanan dan suhu tinggi. Ada inovasi konstan dan penelitian yang berlangsung untuk memastikan komponen kuat, tahan tetapi juga ringan, untuk meningkatkan kinerja pesawat, mempermudah pekerjaan pemeliharaan dan membuat karyawan lebih produktif. Kualitas dan keandalan yang tidak tergantikan ini harus disejajarkan dengan jadwal dan pemesanan penerbangan komersial, dan kesadaran serta kesiapan 24/7 dari pesawat militer. Jika ada yang salah pada rantai produksi dan logistik, ketersediaan, kualitas dan bahkan keamanan penerbangan komersial maupun militer dapat terpengaruh.

Evolusi AM di industri penerbangan antariksa

Inilah manufaktur aditif memasuki panggung. Dalam tahap awal evolusi cetak 3D, ini adalah metode manufaktur yang sangat inovatif tetapi cukup terbatas. Printer 3D adalah investasi yang mahal, lambat dan terlalu kecil untuk aplikasi industri skala besar. Selain itu, pasar bahan sangat terbatas, terutama untuk bahan rekayasa teknis, dan produsen printer 3D sangat sering hanya mengizinkan bahan mereka sendiri untuk digunakan dengan printer mereka (vendor lock-in). Zaman itu dalam cetak 3D sudah lama berlalu.

Saat ini, manufaktur aditif adalah industri yang sepenuhnya berkembang, dengan fleksibilitas desain dan kompatibilitas material-printer yang luar biasa, perangkat lunak spesialistik yang memungkinkan desain yang presisi dan reverse engineering, pilihan bahan canggih yang luas untuk penggunaan paling spesialistik, printer 3D skala besar dengan area cetak besar, dan kemampuan untuk memproduksi bagian ringan yang tidak memiliki keuntungan apapun dibandingkan dengan sejenis CNC.

Video 1. Airbus menggunakan solusi AM di lini produksi mereka. Sumber: Airbus.

Industri penerbangan antariksa berusaha untuk bagian ringan yang dapat bekerja sama baik dengan komponen aluminium yang dibuat secara tradisional. Pengurangan bobot (lightweighting) memungkinkan pesawat terbang lebih cepat, lebih jauh dan dengan konsumsi bahan bakar yang lebih rendah. Setiap 500 kg pengurangan bobot berarti sekitar 1 % konsumsi bahan bakar yang lebih rendah, yang juga berarti emisi karbon dioksida yang berkurang.

Kontribusi AM di penerbangan antariksa

Setiap ide untuk inovasi di industri penerbangan antariksa harus melalui proses penilaian yang sangat teliti untuk memeriksa apakah bahan atau teknologi baru memenuhi regulasi FAA yang banyak dan ketat untuk keselamatan penerbangan dan pesawat, baik pesawat komersial maupun militer. Banyak pesawat usang memiliki komponen yang diproduksi menggunakan bahan yang nantinya ternyata beracun dan perlu diganti, atau bahan yang tidak lagi diproduksi dan perlu direkreasi.

Perusahaan manufaktur aditif menawarkan berbagai macam filamen yang disertifikasi oleh FAA karena kekuatan tarik yang besar, dan resistensi kimia dan termal tetapi tanpa efek samping berbahaya. Contoh bahan tersebut adalah filamen dari keluarga PAEK, seperti filamen Essentium PEI 9085 ULTEM, Essentium PEEK atau Essentium PEKK. Filamen ini dapat digunakan untuk aplikasi penerbangan. Filamen ULTEM PEI digunakan untuk mencetak 3D bagian untuk sistem pencahayaan, saklar listrik, casing, dan sokong lampu.

Gambar 1. Conduit kontrol lingkungan yang digunakan di kendaraan peluncur angkasa. Dicetak dengan filamen Essentium ULTEM 9085. Sumber: Essentium.

Filamen PEEK telah digunakan di industri penerbangan antariksa untuk mengganti bagian mesin aluminium, bearing, klep, serta kabel ringan untuk mengisolasi dan melindungi kabel optik dan sistem listrik di dalam pesawat.

Pemeliharaan dalam rumah yang fleksibel dan segera

Peran cetak 3D di penerbangan antaraksa telah melewati tahap hanya prototyping, meskipun AM masih digunakan untuk tujuan itu. Dengan skala dan biaya manufaktur di industri penerbangan antaraksa, cara prototyping tradisional melalui cetak injeksi dan pemesinan CNC memakan waktu dan sumber daya. Mencetak 3D prototipe pesawat atau bagiannya secara signifikan mengurangi biaya produksi prototipe dan penyesuaian, limbah bahan dan keterlambatan, dan memungkinkan produksi struktur yang jauh lebih kompleks dibandingkan CNC.

Gambar 2. Prototipe pesawat cetak 3D. Sumber: Essentium.

Selain produksi komponen untuk satelit (antena untuk pesawat angkasa), drone dan pesawat tanpa awak (daun propeller dan bagian mesin), aplikasi AM paling umum di industri penerbangan antaraksa berada di produksi bagian tanah dan komponen non-kritis non-pembebani dalam penerbangan.

Karena pesawat adalah investasi yang cukup mahal, unit pesawat lama sering bertahan lebih lama dari yang seharusnya. Manufaktur aditif adalah teknologi yang sempurna untuk tugas pemeliharaan kecil. Ini melibatkan pencetakan 3D bagian non-esensial untuk interior pesawat yang hilang atau rusak, seperti tempat cangkir, talam, tutup toilet, saluran udara, panel instrumen, dll. Berkat AM, memungkinkan untuk merekreasi elemen bahkan jika cetak biru hilang, melalui reverse engineering - memindai bagian, memprosesnya dalam perangkat lunak desain, lalu mencetaknya secara 3D.

Gambar 3. Turbin dicetak 3D. Sumber: Essentium.

Hal yang sama berlaku untuk semua jenis peralatan, jig dan pemegang. Dalam hal itu, inovasi dengan cetak 3D jauh lebih mudah diimplementasikan karena peralatan pendukung tanah tidak ditinjau dengan seketat oleh FAA seperti bagian layak terbang. Bahkan jika alat asli tidak lagi diproduksi, dapat dicetak 3D dari rencana atau dengan menyesuaikan desain alat berdasarkan baut atau elemen yang harus dipasang. Dengan manufaktur subtraktif tradisional, proses ini akan jauh lebih memakan waktu dan bahan. Untuk membuat alat, jig dan pemegang ringan tetapi efisien, bahan yang ditetapkan dengan serat karbon, serat kaca atau logam dapat digunakan. Ini akan menghasilkan bagian hingga 50 % lebih ringan dari aluminium tetapi dengan kekuatan dan resistensi suhu yang luar biasa. Beberapa filamen hebat untuk tujuan ini adalah filamen Essentium HTN CF25, filamen PA CF, atau filamen ABS MG94. Selain kekuatan, resistensi dan ringan, beberapa fitur lain yang harus dimiliki filamen yang bertujuan pada industri penerbangan antaraksa adalah tahan api dan aman ESD. Lantai produksi dan zona pemeliharaan adalah ruang dengan suhu tinggi, bahan potensial meledak dan statis - kombinasi yang sangat berbahaya baik untuk peralatan maupun karyawan. Filamen Essentium TPU 90A FR memiliki properti tahan api, yang secara signifikan meminimalkan risiko kebakaran dan penyebarannya. Ini membuatnya sempurna untuk alat, jig dan pemegang yang digunakan di hangar atau di sekitar pesawat.

Gambar 4. Bagian keselamatan yang dibuat dengan Essentium TPU 58D-AS. Sumber: Essentium.

Filamen Essentium TPU 58D-AS, di sisi lain, adalah filamen yang dirancang khusus untuk industri penerbangan antaraksa, untuk manufaktur bagian yang seharusnya dilepaskan sebelum penerbangan (dahulu warna merah untuk menarik perhatian). TPU 58D-AS mengurangi risiko discharged elektrostatis, yang merupakan bahaya bagi manusia dan komponen elektronik, yang sangat penting untuk fungsi yang tepat dari sistem navigasi pesawat, di antara fungsi lainnya.

Essentium 9085 ULTEM Essentium PEEK Essentium TPU 90A-FR tahan api Essentium TPU 58D-AS

Mengatasi keterbatasan logistik

Memelihara pesawat dalam kondisi aman dan siap terbang dan siap misi di industri penerbangan antaraksa komersial dan militer sangat krusial, bahkan lebih krusial dari inovasi konstan. Manufaktur aditif memiliki begitu banyak aplikasi di industri ini tepat karena memungkinkan penyelang penumpang, perusahaan kurir, dan angkatan bersenjata untuk memiliki lebih banyak kemerdekaan dan fleksibilitas dalam pemeliharaan pesawat mereka.

Pandemi Covid-19 telah mengubah dunia dengan begitu banyak cara. Industri penerbangan antaraksa tidak terkecuali, karena banyak rantai pasokan tiba-tiba terhenti untuk waktu yang tidak terduga. Ini telah menghambat operasi produksi, pemeliharaan dan pengiriman karena ketergantungan pada kontraktor dan perusahaan pengiriman, konsekuensi dari model manufaktur tradisional. Banyak maskapai komersial mengalami kerugian keuangan besar karena pembatalan penerbangan, dan itu berarti harus mencari cara baru untuk mengurangi biaya. Manufaktur aditif dapat menjadi jawabannya.

Dengan manufaktur tradisional, seperti CNC, produksi komponen aman ESD, komponen tahan karat, dan komponen suhu tinggi kemungkinan besar akan memerlukan jasa mahal dari tiga kontraktor berbeda, waktu tunggu yang beragam dan panjang (juga tergantung pada suplai kontraktor), dan pengiriman yang rumit atau mustahil dalam hal pesawat militer yang ditempatkan di luar negeri.

Gambar 5. Contoh manufaktur iteratif. Sumber: Essentium.

Masalah lain adalah bahwa alat satu kali atau bagian pengganti edaran terbatas umum di industri penerbangan antaraksa. Mengandalkan cetak injeksi atau pemesinan CNC untuk membuat alat unik untuk sekali pakai saja akan menyebabkan biaya yang tidak perlu dan waktu tunggu yang terlalu panjang. Semua itu dapat diatasi dengan cetak 3D, karena satu printer 3D dapat digunakan di tempat untuk memproduksi semua bagian ini dengan berbagai filamen teknis canggih dengan biaya yang jauh lebih rendah dan risiko keterlambatan yang lebih rendah. Cara manufaktur ini juga menghilangkan kebutuhan untuk menyimpan suku cadang di seluruh dunia untuk melakukan tugas pemeliharaan, karena bagian apa pun yang dibutuhkan dapat dicetak 3D di mana saja dan kapan saja sesuai permintaan. Semua perbaikan kecil ini mengarah pada penyederhanaan dan perpendekan rantai pasokan dan produksi di penerbangan antaraksa, yang pada gilirannya mengurangi biaya, dan mengimbangi jejak karbon yang ditinggalkan pesawat.

Contoh nyata

Contoh hebat dari penerapan teknologi AM dalam konteks penerbangan antaraksa nyata adalah perusahaan Axle Box. Mereka mengembangkan platform drone untuk SkyFire, untuk klien kehutanan dan perlindungan kebakaran mereka. Elemen ini harus dapat menahan kondisi operasi pemadam kebakaran udara skala besar - api, air, dan angin. Bagian diproduksi dengan biaya terendah dan dengan waktu导 proses tercepat dibandingkan kompetisi. Badan tengah drone dicetak 3D dengan filamen Essentium HTN CF25 dan tutup samping dengan filamen PA CF. Keduanya berkinerja melampaui harapan dalam tes penerbangan, menunjukkan properti mekanik yang luar biasa dan kecepatan tinggi.

Video 2. Bagian cetak 3D untuk platform landasan drone oleh Axle Box. Sumber: Essentium.

Masalah umum dalam pesawat adalah gagal hidrolik, sebagian besar karena bobot pesawat dan tekanan yang dihadapinya selama penerbangan. Proses perbaikan gagal hidrolik dulu sangat menuntut dalam hal waktu dan tenaga kerja, karena memerlukan beberapa teknisi untuk mengakses sumber gangguan lalu memegang pengganti saat dipasang. Gagal hidrolik ini terjadi sangat sering dan sangat mahal untuk diperbaiki sehingga produsen penerbangan besar memutuskan untuk mencetak 3D pengganjal yang akan memegang bagian pengganti tanpa memerlukan tenaga kerja tambahan untuk membantu prosesnya.

Penerapan manufaktur aditif ke penerbangan antaraksa telah menjadi perkembangan inovatif bagi AM dan industri penerbangan antaraksa. Ini telah menjadi tantangan yang menarik dan transformatif untuk dunia cetak 3D karena banyak bahan spesialistik dengan properti canggih yang diperlukan di industri penerbangan antaraksa. Dan bagi industri penerbangan antaraksa ini telah menjadi langkah besar menuju fleksibilitas desain yang lebih besar, pengurangan biaya, dan kemerdekaan logistik, berkat kecepatan, skala dan kemungkinan iterasi yang mengesankan yang diberikan oleh cetak 3D.