Evolusi Menakjubkan Pencetakan 3D di Ruang Angkasa dan Pertahanan

Mereka mungkin belum menjadi perangkat keras yang penting untuk penerbangan, tetapi komponen cetak 3D untuk pesawat komersial dan militer serta pesawat ruang angkasa membuatnya lebih mudah untuk mengurangi berat dan biaya material. Terjemahan:Ada ROI di sini untuk kasus penggunaan yang sangat spesifik—dan keuntungan fungsional dari penghematan yang dimanfaatkan dengan baik.

Manufaktur aditif memiliki masa depan yang cerah. Tapi seberapa cerahkah itu untuk industri kedirgantaraan dan pertahanan? Kami mengeksplorasi bagaimana komponen cetak 3D membuat dampak saat ini—dan melihat beberapa batasannya.

Kami berbicara dengan pakar teknik di Sistem 3D dan 3DDirections untuk mencari tahu ke mana arah produksi aditif dan pencetakan 3D di bidang kedirgantaraan dan pertahanan. Tapi pertama-tama, mari kita lihat evolusi industri di vertikal yang dinamis ini.

Sejarah Pencetakan 3D dan Suku Cadang Aditif untuk Dirgantara dan Pertahanan

Industri kedirgantaraan dan pertahanan, terutama militer AS, adalah pengadopsi awal komponen cetak 3D, tetapi sebagian besar untuk pengujian dan simulasi karena peringkat api dan toksisitas plastik tidak setara dengan logam untuk penerbangan—baik di luar angkasa maupun di atasnya. awan.

Bagian uji ini sebagian besar digunakan dalam drone dan satelit, jelas Bryan Newbrite, seorang insinyur aplikasi di Sistem 3D. Antara tahun 2008 hingga 2013, plastik buatan aditif seperti Bluestone digunakan dalam pengujian untuk hal-hal seperti terowongan angin dan bagian saluran, tetapi resin keramik juga digunakan untuk simulasi.

Kasus penggunaan ini bagus untuk meniru aliran angin. Bagian-bagian ini tidak pernah digunakan dengan manusia. Sebelum era ini, pada pertengahan 1990-an, beberapa bagian 3D digunakan untuk pengecoran cepat.

Segalanya mulai berubah sekitar tahun 2007 hingga 2013.

“Perubahan terbesar di sektor kedirgantaraan sebenarnya adalah pengembangan sintering laser selektif tahan api,” kata Newbrite. “Ini adalah salah satu dari sedikit hal yang mulai Anda temukan dalam penggunaan dalam penerbangan komersial … Pada dasarnya dibutuhkan nilon 12 atau nilon 11 dan ditambahkan penghambat api sehingga akan lulus pengujian api.”

Hal ini penting karena berarti bahan tersebut dapat menahan panas tanpa terbakar—dan dapat memadamkan dirinya sendiri dengan cepat tanpa mengeluarkan asap beracun.

Ini pertama kali digunakan di satelit. Alasan utama? Pengembalian investasi.

“Biayanya $40.000 hingga $50.000 per kilogram untuk menempatkan satelit di geostasioner,” kata Newbrite. “Jadi, jika Anda dapat merancang braket struktural atau anggota internal satelit dan mencukur beberapa kilogram, maka biaya tambahan yang sebenarnya untuk membangunnya dari aditif lebih dari sekadar biaya yang ditanggung.”

Momen Penting dalam Sejarah Pencetakan 3D di Aerospace:Nozzle Bahan Bakar Mesin LEAP GE

Salah satu bagian aditif paling menonjol yang dibuat untuk penerbangan komersial adalah nozzle bahan bakar cetak 3D oleh GE, untuk mesin LEAP. Ini adalah contoh cemerlang tentang bagaimana upaya penelitian dan pengembangan membuahkan hasil—dan menarik banyak perhatian untuk inovasi.

“Cara GE berhasil dalam proyek ini adalah mereka hanya perlu menggunakan kekuatan kasar untuk mewujudkannya, yang berarti mereka membangun ribuan nozel ini agar dapat memenuhi syarat sebagai bagian yang layak yang dapat dicetak, ” jelas Chris Barrett, presiden dan pendiri 3DDirections, konsultan manufaktur aditif dan pakar teknik mesin.

Barrett bekerja untuk Universal Technology Corporation sebagai ilmuwan riset dan Ph.D. kandidat di Youngstown State University di Ohio.

“Cara mereka membuatnya sebelumnya pada dasarnya adalah berton-ton lapisan foil dari berbagai jenis yang disatukan,” kata Barrett. “Dan itulah satu-satunya cara mereka bisa mendapatkan kompleksitas yang dibutuhkan. Untuk versi 3D, menggunakan pendekatan berlapis yang sama, tetapi gambar melakukannya secara manual.”

Menurut GE, nozel cetak 3D "lima kali lebih tahan lama daripada model sebelumnya" dan pendekatan aditif "memungkinkan para insinyur untuk menggunakan desain yang lebih sederhana yang mengurangi jumlah braze dan pengelasan dari 25 menjadi hanya lima".

Tema Umum Pencetakan 3D dan Pembuatan Aditif:Pengurangan Bagian, Langkah, atau Berat

Baik Barrett dan Newbrite menunjukkan bahwa sebagian besar bagian cetak 3D untuk kedirgantaraan dan pertahanan tidak penting untuk penerbangan saat ini. Terlepas dari upaya GE dengan nozzle bahan bakar, produksi volume tinggi tetap menjadi masalah.

“Seiring waktu saya yakin bahwa teknologi dan pendekatan aditif akan menyusul,” kata Newbrite. “Tetapi dari segi biaya, Anda benar-benar tidak melihat banyak produksi saat ini. Pesawat komersial besar telah menjadi sangat efisien. Sungguh, sebagian besar kasus penggunaan saat ini sangat terfokus pada militer, drone, pesawat tak berawak, dan satelit, di mana bobot sangat penting.”

Metode manufaktur tradisional dengan mesin CNC canggih dan presisi akan terus mendominasi industri karena tetap menjadi yang paling hemat biaya.

“Biasanya 10 hingga 100 kali lipat biaya tradisional,” kata Barrett. “Jadi itu perlu menunjukkan peningkatan 10 hingga 100 kali lipat sebagai bagian di penghujung hari.”

Namun ada beberapa aplikasi yang digunakan saat ini, dan banyak lainnya yang sedang dievaluasi. OEM komersial dan pertahanan besar termasuk Boeing, Airbus, Honeywell, GE, dan Lockheed Martin berinvestasi besar-besaran dalam penelitian manufaktur aditif.

Barrett menunjuk ke proyek R&D lain dari GE yang mencoba mencetak sebagian besar bagian mesin pesawat—turboprop canggih, atau ATP—dan berhasil menggunakan superalloy titanium.

“GE mengambil mesin yang telah dibuat dari 855 bagian dan menurunkannya menjadi sekitar 12,” kata Barrett. “Mereka mampu mengurangi bobot mesin hingga 100 pon dan meningkatkan efisiensi bahan bakar hingga 20 persen.”

Lihat semua komponen mesin ATP GE yang dicetak 3D. Sumber:GE

Pengurangan bobot juga memungkinkan peningkatan tenaga 10 persen dari pendahulunya. Mesin ini rencananya akan mulai diproduksi untuk pesawat Cessna Denali milik Textron Aviation.

 Apakah Anda perlu menjawab pertanyaan teknis? Tanyakan kepada Tim Teknologi Pengerjaan Logam MSC di forum.

Pencetakan 3D untuk Dirgantara dan Pertahanan:MRO dan Suku Cadang 

Salah satu kasus penggunaan yang lebih menarik untuk pencetakan 3D adalah pembuatan suku cadang untuk pesawat lama, seperti yang ditemukan pada C-130 dan B-52. Pesawat ini lebih tua tetapi masih digunakan untuk mengangkut kargo dan pasukan—dan suku cadangnya menjadi semakin sulit untuk diganti, jelas Barrett.

Masalah? Pesawat dapat di-grounded untuk waktu yang lama—terkadang selama beberapa tahun karena kurangnya suku cadang. Beberapa dari pesawat ini sudah ada sejak 50 tahun yang lalu, dan perusahaan tidak lagi membuat suku cadang untuknya—atau mereka gulung tikar. Perusahaan yang ingin membuat suku cadang mungkin membutuhkan waktu bertahun-tahun untuk menyelesaikannya.

“Ketika kami mulai meneliti ini, kami menemukan bahwa beberapa bagian ini, karena mereka telah duduk di pesawat dan telah diputar selama beberapa dekade, telah meregang dan melengkung saat pesawat meregang dan melengkung,” kata Barrett. “Jadi tiap bagian sedikit berbeda, karena belokan 90 derajat sekarang bukan lagi 90 derajat, mungkin 85 derajat. Yah, saya tidak bisa membuat satu cetakan cetakan yang menjelaskan semua perbedaan ini. Jadi ini adalah wadah yang sempurna untuk pencetakan 3D.”

Perusahaan seperti Sistem 3D dan lainnya dapat membuat suku cadang khusus untuk setiap bidang dengan membawa pemindai 3D ke bidang, membuat file digital, dan mencetak setiap bagian yang disesuaikan agar sesuai dengan bentuk dan geometri bagian tersebut dalam kondisinya saat ini.

Lihat MRO dan suku cadang yang dibuat untuk pesawat militer warisan. Sumber:Sistem 3D

Proyek suku cadang warisan ini melibatkan sejumlah organisasi publik dan swasta melalui inisiatif yang disebut Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment, atau MAMLS, yang didanai oleh Air Force Research Laboratory.

Salah satu produsen yang telah membuat terobosan dengan pesawat C-130 adalah Metro Aerospace, sebuah perusahaan yang ditampilkan di Better MRO di International Manufacturing Technology Show 2018. Metro Aerospace telah mengirimkan suku cadang microvane ke militer. Microvanes terbuat dari komposit polimer yang ringan, tidak korosif, dan tahan lama yang mencakup manik-manik kaca dan nilon.

Baca semua tantangan dan kesuksesan produksi Metro Aerospace di artikel “ Cara Membawa Bagian Cetakan 3D ke Pasar Dirgantara .”

Apakah Anda terkesan dengan mesin turboprop cetak 3D? Bicaralah dengan rekan-rekan Anda di forum pengerjaan logam. [pendaftaran diperlukan]