Bagaimana 3D Printing Mengubah Industri Penerbangan dan Pertahanan

Mereka mungkin belum menjadi hardware kritis-penerbangan, tetapi bagian 3D print untuk pesawat komersial dan militer serta pesawat angkasa membuatnya lebih mudah untuk mengurangi berat dan biaya material. Artinya: Ada ROI di sini untuk kasus penggunaan yang sangat spesifik—dan keuntungan fungsional dari penghematan yang digunakan dengan baik.

Manufaktur aditif memiliki masa depan yang cerah. Tapi secerah apa itu akan menjadi untuk industri penerbangan dan pertahanan? Kami menjelajahi bagaimana bagian 3D print memberikan dampak saat ini—dan melihat beberapa keterbatasan.

Kami berbicara dengan para ahli teknik di 3D Systems dan 3DDirections untuk mengetahui ke mana manufaktur aditif dan 3D printing di penerbangan dan pertahanan sedang menuju. Tapi pertama, mari kita lihat evolusi industri di vertikal yang cerah ini.

Sejarah 3D Printing dan Bagian Aditif untuk Penerbangan dan Pertahanan

Industri penerbangan dan pertahanan, terutama AS militer, merupakan adopter awal bagian 3D print, tetapi sebagian besar untuk pengujian dan simulasi karena rating kebakaran dan toksisitas plastik tidak setara dengan logam untuk penerbangan—baik di angkasa maupun di atas awan.

Bagian pengujian ini sebagian besar digunakan di drone dan satelit, menjelaskan Bryan Newbrite, insinyur aplikasi di 3D Systems. Antara 2008 hingga 2013, plastik buatan aditif seperti Bluestone digunakan dalam pengujian untuk hal-hal seperti wind tunnel dan bagian ducting, tetapi resin keramik juga digunakan untuk simulasi.

Kasus penggunaan ini baik untuk meniru aliran angin. Bagian ini tidak pernah digunakan dengan manusia. Sebelum era ini, pada pertengahan tahun 1990, beberapa bagian 3D digunakan untuk quick castings.

Hal mulai berubah sekitar 2007 hingga 2013.

“Perubahan terbesar di sektor penerbangan sebenarnya adalah pengembangan flame-retardant selective laser sintering,” kata Newbrite. “Ini salah satu hal yang mulai Anda temukan digunakan di penerbangan komersial … Pada dasarnya ia mengambil nylon 12 atau nylon 11 dan menambahkan flame retardants sehingga ia akan lolos flame testing.”

Ini signifikan karena berarti material dapat menahan beberapa panas tanpa menangkap api—dan dapat memadamkan diri dengan cepat tanpa menghasilkan gas beracun.

Pertama kali digunakan di satelit. Alasannya? Return on investment.

“Biaya $40.000 hingga $50.000 per kilogram untuk meletakkan satelit di geostationary,” kata Newbrite. “Jadi jika Anda dapat mendesain bracket struktural atau anggota internal satelit dan mengurangi beberapa kilogram, maka biaya tambahan sebenarnya untuk membangunnya dengan aditif lebih dari terbayar.”

Momen Penting dalam Sejarah 3D Printing di Penerbangan: Fuel Nozzle Mesin LEAP GE

Salah satu bagian aditif paling terkenal yang dibuat untuk penerbangan komersial adalah fuel nozzle 3D print oleh GE, untuk mesin LEAP. Ini adalah contoh terang bagaimana upaya penelitian dan pengembangan datang berbuah—dan mendapat banyak perhatian untuk inovasi.

“Cara GE berhasil dalam proyek ini adalah mereka hanya harus menggunakan brute force untuk membuatnya terjadi, yang berarti mereka membangun ribuan ribuan nozzle ini untuk dapat memenuhi syarat sebagai bagian yang layak untuk dicetak,” menjelaskan Chris Barrett, presiden dan pendiri 3DDirections, konsultan manufaktur aditif dan ahli teknik mekanik.

Barrett bekerja untuk Universal Technology Corporation sebagai ilwan penelitian dan merupakan calon Ph.D. di Youngstown State University di Ohio.

“Cara mereka harus membuatnya sebelumnya adalah dasarnya lapisan foil yang banyak dari berbagai jenis yang dipadatkan bersama,” kata Barrett. “Dan itu adalah satu-satunya cara mereka bisa mendapatkan kompleksitas yang dibutuhkan. Untuk versi 3D, ia menggunakan pendekatan berlapis yang sama, tetapi bayangkan melakukan itu secara manual.”

Menurut GE, nozzle 3D print adalah “lima kali lebih tahan daripada model sebelumnya” dan pendekatan aditif “memungkinkan insinyur untuk menggunakan desain yang lebih sederhana yang mengurangi jumlah brazes dan welds dari 25 menjadi hanya lima.”

Tema Umum 3D Printing dan Manufaktur Aditif: Pengurangan Bagian, Langkah atau Berat

Kedua Barrett dan Newbrite menilai bahwa sebagian besar bagian 3D print untuk penerbangan dan pertahanan bukan bagian kritis-penerbangan saat ini. Meskipun GE mencoba dengan fuel nozzles, produksi volume tinggi adalah masalah.

“Seiring waktu saya yakin teknologi dan pendekatan aditif akan menangkap,” kata Newbrite. “Tapi dari segi biaya, Anda sebenarnya tidak melihat banyaknya saat ini dalam produksi. Pesawat komersial besar telah menjadi sangat efisien. Benar, sebagian besar kasus penggunaan saat ini sangat fokus pada militer, drone, pesawat tidak berawak dan satelit, di mana berat benar-benar penting.”

Metode pemesinan tradisional dengan mesin CNK canggih dan presisi akan terus mendominasi industri karena mereka tetap paling hemat biaya.

“Biasanya 10 hingga 100 kali biaya tradisional,” kata Barrett. “Jadi itu perlu menunjukkan peningkatan 10 hingga 100 kali sebagai bagian pada akhirnya.”

Tetapi ada beberapa aplikasi yang digunakan saat ini, dan banyak lagi yang sedang dievaluasi. OEM penerbangan dan pertahanan besar termasuk Boeing, Airbus, Honeywell, GE dan Lockheed Martin berinvestasi banyak dalam riset manufaktur aditif.

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

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

Lihat semua komponen 3D print mesin ATP GE. Sumber: GE

Pengurangan berat juga memungkinkan peningkatan daya 10 persen dibandingkan pendahulunya. Mesin ini direncanakan untuk produksi untuk pesawat Cessna Denali Textron Aviation.

Apakah Anda memerlukan jawaban pertanyaan teknis? Tanyakan kepada Tim Teknik Logam MSC di forum.

3D Printing untuk Penerbangan dan Pertahanan: MRO dan Bagian Cadangan

Salah satu kasus penggunaan yang lebih menarik untuk 3D printing adalah pembuatan bagian cadangan untuk pesawat lama, seperti yang ditemukan pada C-130 dan B-52. Pesawat tersebut lebih tua tetapi masih digunakan untuk transportasi kepalangan dan pasukan—dan bagian-bagiannya semakin sulit diganti, menjelaskan Barrett.

Masalahnya? Pesawat mungkin diam untuk waktu yang lama—kadang-kadang selama beberapa tahun karena kurangnya cadangan. Beberapa pesawat ini berusia 50 tahun, dan perusahaan tidak lagi membuat bagian untuk mereka—atau mereka telah tutup usaha. Perusahaan yang bersedia membuat cadangan mungkin butuh waktu tahun untuk menyelesaikannya.

“Saat kami mulai meneliti ini, kami menemukan bahwa beberapa bagian ini, karena telah berada di pesawat dan dipukul selama beberapa dekade, telah meregang dan merubah bentuk seiring pesawat telah meregang dan merubah bentuk,” kata Barrett. “Jadi setiap bagian sedikit berbeda, karena putaran 90 derajat sekarang bukan lagi 90 derajat, mungkin 85 derajat. Nah, saya tidak bisa membuat satu cetakan cetak yang mencakup semua perbedaan ini. Jadi itu membuat kasus yang sempurna untuk 3D printing.”

Perusahaan seperti 3D Systems dan lainnya dapat membuat bagian khusus untuk setiap pesawat dengan membawa scanner 3D ke pesawat, membuat file digital dan mencetak setiap bagian yang disesuaikan dengan bentuk dan geometri bagian tersebut dalam kondisi saat ini.

Lihat MRO dan bagian cadangan yang dibuat untuk pesawat militer lama. Sumber: 3D Systems

Proyek bagian cadangan lama 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 kemajuan dengan pesawat C-130 adalah Metro Aerospace, perusahaan yang ditampilkan di Better MRO pada International Manufacturing Technology Show 2018. Metro Aerospace telah mengirimkan bagian microvane ke militer. Microvanes terbuat dari komposit polimer ringan, tidak korosif dan awet yang mencakup kaca dan nylon bead.

Baca semua tentang tantangan dan keberhasilan produksi Metro Aerospace dalam artikel “How to Take a 3D-Printed Part to Market in Aerospace.”

Apakah Anda terkesan dengan mesin turboprop 3D print? Bicara dengan rekan Anda di forum logam. [pendaftaran diperlukan]