Een belangrijke drijfveer achter het toegenomen gebruik van titaniumlegeringen is de wijdverbreide toepassing van koolstofvezelcomposieten in de lucht- en ruimtevaartproductie. Titaniumlegeringen en koolstofvezelcomposieten vertonen uitstekende compatibiliteit en bieden niet alleen een hoge sterkte en corrosiebestendigheid, maar ook een effectieve gewichtsvermindering, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor gebieden met hoge spanning- en kritische componenten die in contact komen met composietmaterialen. Deze toename in het gebruik van titaniumlegeringen vormt echter een dubbele uitdaging voor fabrikanten in de lucht- en ruimtevaart: ten eerste zijn titaniumlegeringen hoogwaardige metalen, en traditionele smeedprocessen resulteren in een extreem laag materiaalgebruik, waarbij tot wel 80% tot 95% van de grondstoffen mogelijk wordt verspild tijdens de bewerking, wat een uitdaging vormt voor het streven van de lucht- en ruimtevaartindustrie naar lean manufacturing en duurzame ontwikkeling. Ten tweede is de continue optimalisatie van de prestaties van vliegtuigen steeds meer afhankelijk van een efficiënter en lichter structureel ontwerp, terwijl traditionele productieprocessen vaak te maken krijgen met beperkingen zoals hoge kosten, lange doorlooptijden of technische onhaalbaarheid bij het realiseren van complexe geïntegreerde structuren. Bestaat er dus een productiemethode die tegelijkertijd het urgente probleem van materiaalverspilling kan aanpakken en het toekomstige potentieel van complexe structurele ontwerpen kan ontsluiten? Airbus, een fabrikant van lucht- en ruimtevaart, heeft deze vragen beantwoord met zijn draad-directed energy deposition (w-DED) additieve productietechnologie, die het al vele jaren toepast.
Hoe werkt w-DED?
Airbus legt uit dat de technologie gebruikmaakt van een robotarm met meerdere- assen, uitgerust met een draadhaspel van titaniumlegering, die nauwkeurig beweegt volgens een digitaal model. Door energie zoals laser-, plasma- of elektronenstralen op de draad te concentreren, wordt deze onmiddellijk gesmolten en laag voor laag op een substraat afgezet. Oppervlakkig gezien lijkt het proces op lassen, maar het wordt feitelijk volledig bestuurd door een drie-dimensionaal model, dat in staat is het materiaal van onder naar boven te 'printen' in een zogenaamd 'blanco onderdeel'. Dit blanco onderdeel benadert al heel dicht de uiteindelijke gewenste vorm, waardoor een "bijna-netto- vorm" wordt bereikt, en er is slechts een snelle afwerking nodig om aan de precieze maatvereisten van het onderdeel te voldoen.
Ontsluiting van het potentieel van structurele componenten van titaniumlegeringen in grote vliegtuigen
Ontsluiting van het potentieel van structurele componenten van titaniumlegeringen in grote vliegtuigen
Hoewel de 3D-printtechnologie voor metaal al ongeveer tien jaar in de lucht- en ruimtevaart wordt gebruikt, was deze voorheen voornamelijk beperkt tot kleine onderdelen. 3D-printsystemen met een poederbed worden doorgaans gebruikt om onderdelen te vervaardigen die korter zijn dan 60 centimeter (ongeveer twee voet). De w-DED-technologie heeft Airbus daarentegen in staat gesteld de beperkingen op het gebied van afmetingen te overwinnen en grote structurele componenten van titaniumlegeringen te produceren met een lengte van wel zeven meter (meer dan 23 voet). Het nieuwe proces belooft productiesnelheden van enkele kilogrammen materiaal per uur. Dit maakt de industriële-schaal, grootschalige-productie van 3D-printtechnologie mogelijk voor structurele componenten van grote commerciële vliegtuigen.
Helpt de verspilling van titaniumgrondstoffen te verminderen
In het hedendaagse streven naar duurzame en gestroomlijnde productie hebben traditionele smeedwerkprocessen moeite om te voldoen aan de strenge eisen van lucht- en ruimtevaartfabrikanten op het gebied van kostenbeheersing en hulpbronnenefficiëntie. Een belangrijke reden waarom Airbus DED additive manufacturing heeft geïntroduceerd, is om vanaf het begin materiaalverspilling tijdens de verwerking te voorkomen. Dit komt omdat bij DED additive manufacturing onderdelen laag{2}} voor-laag worden opgebouwd in een vrijwel-netto-vorm, die sterk lijkt op de uiteindelijke ontwerpvorm, en waarbij slechts een minimale bewerking nodig is.
Verbetering van de flexibiliteit bij de ontwikkeling van vliegtuigen
Traditionele matrijssmeedprocessen vereisen de vervaardiging van grote, complexe mallen, een proces dat tot twee jaar kan duren en aanzienlijke investeringen vooraf vereist. De vorm van 3D-geprinte onderdelen wordt daarentegen volledig bepaald door computerprogramma's, waardoor de levertijd slechts enkele weken bedraagt. De flexibiliteit die w-DED biedt, is vooral gunstig voor de soepele en tijdige productie van het eerste prototype.-Ook al worden gedetailleerde ontwerpen nog steeds verfijnd-afgestemd en geoptimaliseerd, ondersteunt de technologie een snelle iteratie van fysieke componenten totdat het hele vliegtuig de eindmontage ingaat.
Eerste validatie in de productie van de A350
Airbus is onlangs begonnen met de massaproductie-integratie van grote componenten vervaardigd met behulp van w-DED-technologie in de omtrekstructuur van de vrachtdeur van het A350-vliegtuig. In deze verkennende fase worden deze specifieke onderdelen, ontworpen door Airbus, geprint met behulp van plasma w-DED-technologie door gekwalificeerde leveranciers, vervolgens ultrasoon getest door Testia Bremen, en uiteindelijk afgewerkt en geassembleerd in de eigen fabrieken van Airbus. Deze onderdelen zijn functioneel en geometrisch identiek aan de traditionele gesmede onderdelen die ze vervangen, maar hebben aanzienlijke kostenbesparingen opgeleverd. Vooruitkijkend is Airbus van plan de w-DED-componenten van de A350 te gebruiken als uitgangspunt om deze technologie geleidelijk uit te breiden naar andere projecten en meer kritische onderdelen van het vliegtuig (op de lange termijn, inclusief vleugels en landingsgestel).
Ontworpen voor DED
Belangrijker nog is dat deze technologie aanleiding heeft gegeven tot het nieuwe concept van 'ontworpen voor DED'. Ingenieurs hoeven complexe componenten niet langer op te splitsen in meerdere onafhankelijke onderdelen voor afzonderlijke productie en assemblage; in plaats daarvan kunnen ze ze ontwerpen als één structureel geoptimaliseerd geïntegreerd onderdeel en ze in één keer printen. Deze mogelijkheid om meerdere onderdelen in één enkel onderdeel te integreren zal de toeleveringsketen effectief vereenvoudigen, de assemblagestappen verminderen en de productiecycli verkorten, waardoor het potentieel van de volgende- generatie vliegtuigen op basis van 3D-ontwerpconcepten volledig wordt gerealiseerd.
Het bevorderen van de productietoepassing van belangrijke componenten
Momenteel boeken Airbus en zijn partners grote vooruitgang bij het vergaren van ervaring met het vervaardigen van belangrijke componenten met behulp van w-DED-technologie (wafer-to-find), en hebben ze bemoedigende vooruitgang geboekt. Ingenieurs testen verschillende energiebronnen, waaronder plasma, booglassen, elektronenbundels en laserbundels, en evalueren tegelijkertijd zowel de strategieën voor 'outsourcing' (drukwerk uitbesteden aan externe fabrikanten) als 'interne productie' (interne productie). Bovendien zal deze technologie op het niveau van de Airbus Groep worden gestandaardiseerd om de toepassing en promotie ervan binnen het hele bedrijf te garanderen.
Systematisch de logica van luchtwaardigheid bevorderen
Het meest tijdrovende en uitdagende aspect van luchtwaardigheidscertificering is de erkenning van veiligheid, dat wil zeggen: hoe te bewijzen dat de materialen veilig zijn. De internationale productie-industrie voor de burgerluchtvaart heeft gedurende vele jaren ervaring opgebouwd. Als we het hebben over luchtwaardigheidscertificering, bedoelen we eigenlijk de certificering van vliegtuigonderdelen, waarbij drie aspecten betrokken zijn: materialen, processen en ontwerp. Additive manufacturing-3D-printtechnologie- omvat alle drie de elementen. Ten eerste is additive manufacturing een productieproces. Ondertussen vereist het maximaliseren van de waarde van deze technologie een ontwerp voor additieve productie. Het gebruik van nieuwe materialen bij de additieve productie van onderdelen voegt nog een element toe dat veiligheidsverificatie vereist. Daarom is de veiligste aanpak het stap voor stap oplossen van dit probleem, waarbij de risico's worden geminimaliseerd. De aanpak van Airbus op het gebied van 3D-additieve productie van titaniumlegeringen weerspiegelt de 'drie-stappen'-luchtwaardigheidslogica die in het bovenstaande interview is besproken. Ten eerste werd, beginnend met secundaire draagstructuren zoals de A350-vrachtdeuren, de betrouwbaarheid van het w-DED-proces zelf geverifieerd, terwijl de materialen en het ontwerp ongewijzigd bleven. Vervolgens breidde het zich geleidelijk uit naar primaire draagstructuren-, waarbij optimalisatie werd bevorderd die 'ontworpen voor DED' was. Momenteel ligt de focus op het ontsluiten van het potentieel van traditionele materialen met nieuwe processen, in plaats van tegelijkertijd geheel nieuwe wegen in materialen, processen en ontwerp uit te dagen. Deze gefaseerde, risico-gecontroleerde aanpak weerspiegelt niet alleen het noodzakelijke ritme in de industrialisatie, maar onthult ook de essentie van additieve productie in de lucht- en ruimtevaart-het is niet alleen technologische innovatie, maar ook een systematisch project van 'vertrouwen opbouwen'. Hoe technologische innovatie kan worden omgezet in betrouwbare waarde die kan worden gecertificeerd en in massa kan worden geproduceerd binnen het raamwerk van luchtwaardigheid, en de onderliggende timing, risicostratificatie en verificatielogica, verdient wellicht meer aandacht van de industrie dan specifieke technische details.