Появятся ли в небе самолеты, напечатанные на 3d принтерах?
На прошлой неделе в солнечном Сан-Диего (штат Калифорния) эксперты компании Dassault Systemes собрались на ежегодную встречу сообщества экспертов (COE), проводимую во время выставки TechniFair. Среди этих экспертов были пользователи, партнеры и преподаватели по таким решениям Dassault, как платформы CATIA V5 и 3DEXPERIENCE.
Одним из экспертов был Терри Макгоуэн (Terry McGowan), младший технический сотрудник Boeing. На дне открытия COE 2018 он выступил с речью о концепции аддитивного производства (AM) компании Boeing. Ожидания Boeing, связанные с АМ, как и ее флагманский самолет модели 747, взлетают до небес.
«Мы уверены, что эта технология имеет огромный потенциал, – заявил Макгоуэн. – Мы подошли очень близко к технологии, напоминающей репликатор из сериала Star Trek».
Аддитивное производство
Аддитивное производство, AM, (оно же – 3d печать) за последние годы быстро завоевало известность. Эта технология используется в промышленности, в образовании и в академических кругах, а также любителями хобби и создателями новинок. Это не новая технология — ее концепция прослеживается к началу 1980-х годов — но по мере ее развития возникли такие сопутствующие ей технологии, как алгоритмический дизайн, которые и позволили подняться ей до прорывного состояния. Как отметил Макгоуэн в своем выступлении, существует множество причин поддерживать развитие АМ:
- Снижение стоимости деталей: эта технология позволяет использовать унифицированные узлы, снижая количество деталей, и, тем самым, уменьшая затраты.
- Доступность деталей: когда существует возможность напечатать деталь одним нажатием кнопки, то такие понятия, как время доставки и управление складскими запасами уходят в прошлое.
- Улучшение характеристик деталей: полученные на 3d принтерах детали позволяют использовать конструкции, не достижимые при помощи традиционных методов производства, например, дизайн облегченных оптимизированных структур.
- Увеличение надежности: снижение массы и количества деталей означает повышение их надежности, и детали, изготовленные на 3d принтерах, могут проектироваться с учетом эргономики.
Но, несмотря на то, насколько далеко продвинулась эта технология, и насколько велик ее потенциал, самой АМ еще предстоит пройти большой путь. Что может служить лучшей проверкой технологии, чем самая надежная, самая требовательная аэрокосмическая отрасль? Уж если можно использовать 3d принтеры для изготовления деталей самолета, то ничто не мешает применять 3d печать для всего остального. Компания Boeing ведет работы по созданию на 3d принтерах деталей, годных для эксплуатации в небе.
«Возьмем, к примеру, переднюю стойку на 787-м, – говорил Макгоуэн. – Для ее производства необходимо смонтировать гидравлические шланги вдоль большого монолитного элемента из титана. В будущем, мы сможем просто напечатать этот монолитный узел уже со всеми функциональными требованиями, встроенными в него, и устраним необходимость в монтаже всех дополнительных шлангов».
Сложность процесса АМ
Для создания стабильно надежных деталей на 3d принтерах, необходимо принимать во внимание значительное число производственных параметров, участвующих в процессе АМ. В своем выступление Макгоуэн назвал некоторые из них:
- Материал: включая тип материала, размер частиц порошка и его чистота.
- Дизайн: включая геометрию, наличие консольных и опорных элементов.
- Компоновка: включая ориентацию деталей, их близость и заполнение пространства сборки.
- Процесс: включая использование энергии, скорость рабочего механизма, инертную атмосферу и более двухсот других параметров.
- Пост-обработка: включая термообработку, горячее изостатическое прессование (HIP), сглаживание стыков и зачистку поверхности.
Помимо этого, инженеры, использующие АМ, должны учитывать остаточные напряжения, рассеивание тепла, отделку поверхности, вертикальную анизотропность, сжатие и микрорасплавы. Контролировать нужно очень много параметров. Технология АМ все еще нуждается в наборе полных, качественных спецификаций всех этих параметров и опций.
Важным элементом для разработки таких спецификаций и снижения сложности АМ, как отметил Макгоуэн, стала информационная технология. В прошлом году Boeing начала широко использовать платформу 3DEXPERIENCE от компании Dassault Systemes. Одной из основных характеристики 3DEXPERIENCE является консолидация данных, а, по мнению Макгоуэна, данные играют важную роль в АМ.
«В прошлом, основным применением информационных технологий было обслуживание организации. Но теперь все изменилось, – сказал он. – В 21-м веке данные позволяют управлять всем. Поток создания ценностей формируется вокруг данных. И это означает, что информационные технологии оказывают связанными со всеми усилиями по структуризации и индустриализации потока создания ценности для АМ».
Обращение к сложности с помощью цифровых потоков
По словам Макгоуэна, обращение Boeing к платформе 3DEXPERIENCE стало важным шагом в развитии потока создании ценности с использованием АМ.
«Какое решение компания Boeing намерена использовать для получения этого промышленного потока создания ценности? – спросил он у аудитории COE. – «Она начинает с 3DEXPERIENCE. Эта новая платформа, предлагаемая компанией Dassault, представляет собой отход от системы, основанной на файлах, и играет значительную роль в совместной работе всех этих инструментов для достижения успеха в развитии промышленного потока создания ценности».
Макгоуэн заявил, что первым шагом компании Boeing в процессе АМ стало применение программного обеспечения EXALEAD компании Dassault Systemes для выявления данных, что позволяет идентифицировать и отобрать детали для АМ. С этого момента уже можно продемонстрировать цифровой поток – так называется интегрированная природа данных, проходящих через все шаги – поддерживающий весь процесс производства детали. В цифровом потоке выделяются следующие шаги:
- Выбор детали для АМ: идентификация деталей, которые идеально подходят для использования АМ.
- Создание/импорт модели: Импорт или создание модели детали.
- Функциональный алгоритмический дизайн: совершенствование дизайна детали для снижения веса и объединения деталей.
- Подготовка 3d печати: определение поддерживающих структур, ориентации печати и прочих аспектов.
- Моделирование печати: моделирование процесса 3d печати для прогнозирования деформаций.
- Компенсация детали: обеспечение компенсаций деформации детали.
- Распространение пакета печати: создание и надежная доставка пакета печати.
Сертификация в FAA
Хотя впереди еще много работы, но Boeing уже добилась значительно прорыва в АМ. Сегодня на борту самолетов Boeing используются более 50 000 компонентов, изготовленных при помощи 3d принтеров. В прошлом году компании Boeing и Norsk Titanium AS получили первый сертификат Федерального управления гражданской авиации (FAA) на производство на 3d принтере титанового элемента конструкции, который будет устанавливаться на самолетах Boeing 787 Dreamliner.
«Boeing добилась успеха со своей первой деталью конструкции, выполненной из расплава титановой проволоки, — сказал Макгоуэн. — Мы получили сертификат FAA на этот процесс. Но в применении процесса порошкового расплава нам еще предстоит проделать много работы. Мы должны показать, что этот процесс повторяемый. Для получения разрешения от FAA необходимо продемонстрировать им стабильность и повторяемость процесса».
