Złożone kanały. Mniej elementów. Niższa masa. Materiały do pracy w wymagającym środowisku.
Produkcja addytywna z metalu pozwala wytwarzać komponenty silników lotniczych, turboodrzutowych, turbowentylatorowych i turbinowych, których wykonanie metodami konwencjonalnymi wymaga wielu operacji, łączenia kilku części albo jest bardzo trudne geometrycznie.
W technologii PBF-LB/M (Laser Powder Bed Fusion), często określanej jako SLM, powstają w pełni metalowe komponenty z tytanu, aluminium, stali oraz nadstopów niklu, takich jak Inconel. Największa przewaga pojawia się wtedy, gdy detal zostaje zaprojektowany od początku pod produkcję addytywną.
Masz model CAD lub rozwijasz komponent silnika? Prześlij część do analizy. Sprawdzimy geometrię, materiał, wymagania jakościowe i to, czy produkcja addytywna rzeczywiście daje przewagę.
Landing page kierujemy do zespołów, które projektują lub produkują metalowe komponenty układów napędowych i pracują pod presją masy, temperatury, złożoności geometrii, czasu wdrożenia albo kosztu wielooperacyjnej produkcji.
Najczęstsi rozmówcy: konstruktor / Design Engineer, inżynier R&D, technolog, Manufacturing Engineer, Head of Engineering, kierownik produkcji i dyrektor techniczny.
Spawanie, lutowanie, skręcanie i dodatkowe uszczelnienia zwiększają liczbę operacji, punktów kontroli i potencjalnych miejsc awarii. PBF-LB/M pozwala konsolidować kilka lub kilkanaście elementów w jeden monolityczny komponent, jeśli geometria i wymagania procesu na to pozwalają.
Źródło: GE Aerospace, LEAP fuel nozzle: ok. 20 części → 1, około 25% mniej masy
Kanały paliwowe, olejowe i chłodzące mogą przebiegać wewnątrz części zgodnie z wymaganiami przepływu, a nie ograniczeniami wiertła czy frezu. To otwiera drogę do kanałów konformalnych, cienkich ścian, struktur lattice i kompaktowych wymienników ciepła.
Optymalizacja topologiczna, projektowanie generatywne i struktury wewnętrzne pozwalają umieszczać materiał tam, gdzie jest potrzebny do przenoszenia obciążeń. W części silnikowej redukcja masy wpływa nie tylko na sam komponent, ale również na bezwładność, obciążenie sąsiednich elementów i parametry całego układu.
Źródło: BLT Aerospace Solutions, central gear drive housing i hollow fan blade
Nadstopy niklu i stopy tytanu są kluczowe w wymagających aplikacjach, ale ich klasyczna obróbka może oznaczać duże zużycie narzędzi, wiele etapów i wysoki udział materiału usuwanego z pełnego bloku. Druk 3D buduje geometrię bliską finalnemu kształtowi, a powierzchnie krytyczne można następnie wykończyć obróbką CNC.
Zintegrowane kanały, małe przekroje przepływowe oraz możliwość ograniczenia liczby spawanych i lutowanych elementów. To jedna z najbardziej znanych aplikacji metalowego AM w seryjnych silnikach lotniczych.
Cienkie ścianki, złożone powierzchnie i wewnętrzne kanały chłodzenia pozwalają projektować komponent pod przepływ i zarządzanie temperaturą.
Addytywne wytwarzanie umożliwia integralną geometrię łopatek oraz korpusu, a także topologie trudne do wykonania jako jeden element metodami konwencjonalnymi.
Możliwa jest integracja kanałów olejowych, punktów montażowych i struktur odciążających w jednym elemencie.
Cienkościenne, przestrzenne geometrie mogą powstawać jako jeden komponent zamiast złożenia wielu elementów.
Wewnętrzne kanały o dużej powierzchni wymiany ciepła mogą być zintegrowane w kompaktowej obudowie.
W zależności od programu, materiału i procesu kwalifikacji AM może wspierać rozwój wybranych elementów pracujących w wysokiej temperaturze.
Wielolaserowe systemy wielkoformatowe pozwalają drukować duże części silników w jednym procesie. Pierwszą inżynierską aplikacją BLT-S600 była obudowa turbiny silnika lotniczego.
Hasło „drukowany silnik” jest uproszczeniem. W praktyce metalowy druk 3D staje się jedną z technologii w łańcuchu produkcyjnym silnika. Najczęściej dotyczy konkretnych komponentów, a nie całego napędu wykonywanego jednym procesem.
| Rodzaj układu | Przykładowe obszary zastosowania AM |
|---|---|
| Silnik turbowentylatorowy | układy paliwowe, obudowy, kanały, wymienniki, wybrane elementy przepływowe i strukturalne |
| Silnik turboodrzutowy | dysze, impellery, korpusy, elementy komory spalania, kanały i systemy chłodzenia |
| Silnik turbinowy / turbina gazowa | elementy wirnikowe i przepływowe, obudowy, kanały, elementy wysokotemperaturowe |
| UAV / demonstrator R&D | lekkie części strukturalne, obudowy, elementy układu napędowego i prototypy funkcjonalne |
| Materiał / grupa | Dlaczego jest istotny | Przykładowy obszar |
|---|---|---|
| Inconel 718 | wysoka wytrzymałość, odporność na temperaturę i pełzanie | elementy silników, turbin, struktury wysokotemperaturowe |
| Inconel 625 | odporność korozyjna i termiczna | środowiska agresywne, elementy przepływowe |
| Hastelloy X / inne nadstopy | odporność na temperaturę i utlenianie | komory, kanały, hot-section R&D |
| Ti-6Al-4V | bardzo dobry stosunek wytrzymałości do masy | lekkie części strukturalne, obudowy, mocowania |
| AlSi10Mg | niska masa, dobra przewodność cieplna | korpusy, obudowy, wymienniki, struktury lekkie |
| 316L / 15-5PH / 17-4PH | odporność korozyjna, wytrzymałość, wszechstronność | korpusy, elementy funkcjonalne |
| Miedź / CuCrZr | wysokie przewodnictwo cieplne | dysze, chłodzenie, wymiana ciepła |
Źródło: BLT Aerospace Solutions, lista materiałów PBF-LB/M
W dyszy paliwowej LEAP firma GE Aerospace zastąpiła około 20 wcześniej łączonych elementów jednym komponentem addytywnym. GE podaje również redukcję masy końcówki dyszy o około 25%.
Źródło: GE Aerospace, Manufacturing Milestone: 30,000 Additive Fuel Nozzles
W programie GE Catalyst zastosowanie AM pozwoliło ograniczyć 855 konwencjonalnie wykonywanych części do 12 komponentów addytywnych. GE wskazuje m.in. sumps, bearing housings, frames, exhaust case, combustor liner, heat exchangers i stationary flow path components. Według GE komponenty AM obniżyły masę silnika o 5% i wniosły około 1% poprawy SFC.
BLT opisuje pustą łopatkę wentylatora wykonaną z tytanu. Wewnętrzny usztywniacz w kształcie „W” pozwala według producenta zredukować masę o prawie 30% przy lepszej wytrzymałości i krótszym cyklu produkcyjnym względem klasycznej struktury. Ta konkretna geometria wewnętrzna jest wskazywana przez BLT jako możliwa do wykonania dzięki PBF-LB/M.
W materiale aplikacyjnym BLT impeller disk z BLT-K418 miał łopatki, których odchyłkę wymiarową producent kontrolował do 0,1 mm. Element poddano testowi nadobrotów z prędkością do 122 000 obr./min. To dane aplikacyjne producenta, a nie automatyczna kwalifikacja do konkretnego programu lotniczego.
BLT pokazuje miedzianą dyszę wylotową silnika, w której wewnętrzne i zewnętrzne ścianki zawierają łącznie 50 kanałów chłodzących. Producent wskazuje tę geometrię jako przykład, w którym PBF-LB/M upraszcza integrację chłodzenia i pozwala zmniejszyć gabaryt oraz masę komponentu.
Najlepszy proces jest często hybrydowy. Druk odpowiada za geometrię, integrację funkcji i near-net-shape. CNC odpowiada za powierzchnie bazowe, otwory, gwinty i tolerancje końcowe tam, gdzie wymaga tego funkcja detalu.
Komponent silnika nie staje się częścią lotniczą tylko dlatego, że został poprawnie wydrukowany. Zakres kwalifikacji zależy od krytyczności elementu, programu i wymagań OEM / regulatora.
Źródło: FAA AC 33.15-3, Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Process for Aircraft Engine Parts
CADXPERT współpracuje z Bright Laser Technologies (BLT), producentem przemysłowych systemów PBF-LB/M i rozwiązań do produkcji z metalu. BLT publikuje dedykowane rozwiązania dla aerospace, aviation i engine applications oraz case’y komponentów aeroengine.
| Platforma / linia | Dlaczego może być istotna dla engine / aerospace |
|---|---|
| BLT-S310 / S320 | mniejsze i średnie precyzyjne komponenty; wiele case’ów impellerów i dysz w materiałach BLT |
| BLT-S450 | większe komponenty; case central gear drive housing |
| BLT-S600 / S615 | duże części; pierwsza inżynierska aplikacja S600: aero-engine turbine casing; S615 ma komorę 650 × 650 × 1500 mm |
| BLT-S800 / S815 / S825 | platformy rozwijane m.in. pod duże i wysokie komponenty, w tym rotating aero-engine components |
| BLT-S1000 / S1300 | wielkogabarytowe, wielolaserowe systemy do dużych komponentów aerospace i engine |
Źródła: BLT, Aerospace Solutions · BLT-S615, specyfikacja systemu · BLT-S800 → S825, rotating aero-engine components
Nie każda firma rozwijająca silnik potrzebuje od razu własnej drukarki z metalu. W CADXPERT proces zaczynamy od oceny konkretnej aplikacji, materiału, jakości, wolumenu i modelu operacyjnego. Dopiero później wybieramy właściwą ścieżkę.
Najlepszy start dla pierwszych projektów, benchmarków i walidacji technologii. Klient dostarcza model lub wymagania, a proces przygotowania, DfAM, produkcji i postprocessingu jest realizowany przy wsparciu CADXPERT.
Część kompetencji i prostszych procesów pozostaje po stronie klienta, natomiast wymagające materiały, duże gabaryty, DfAM lub produkcja metalowa są realizowane z CADXPERT.
Gdy aplikacja została zweryfikowana, wolumen uzasadnia CAPEX, a ochrona IP, termin lub kontrola jakości przemawiają za własną produkcją, CADXPERT może wspierać dobór i wdrożenie systemu BLT oraz transfer zwalidowanego procesu.
Michelin potrzebował zmniejszyć masę chwytaka robota bez pogorszenia funkcjonalności. CADXPERT wykorzystał projektowanie generatywne, symulacje i metalowy druk 3D z aluminium AlSi10Mg. Masa konstrukcji spadła o około 50 do 60%.
To inna aplikacja niż część silnika lotniczego, ale pokazuje kluczowy mechanizm: nie kopiujemy części zaprojektowanej pod CNC. Projektujemy ją od nowa, wykorzystując swobodę geometrii produkcji addytywnej.
Prześlij model STEP/STL lub opisz zastosowanie. Na pierwszym etapie ocenimy geometrię, materiał, temperaturę pracy, obciążenia, wymagania jakościowe, wolumen i potencjał DfAM.
Produkcja addytywna jest wykorzystywana do coraz większej liczby komponentów silników, ale współczesny silnik pozostaje zespołem korzystającym z wielu materiałów i procesów. Dlatego profesjonalnie mówimy o drukowanych komponentach silnika, a nie o jednym „wydrukowanym silniku”.
Tak, istnieją seryjne i rozwojowe zastosowania AM w układach paliwowych, obudowach, strukturach przepływowych, wymiennikach oraz innych komponentach. Każda aplikacja wymaga jednak osobnej oceny materiału, obciążeń i ścieżki kwalifikacji.
PBF-LB/M umożliwia wytwarzanie bardzo złożonych łopatek i elementów wirnikowych, a BLT rozwija również materiały do aplikacji wysokotemperaturowych. W przypadku części krytycznych konieczna jest kwalifikacja materiału, procesu, postprocessingu i finalnego komponentu dla konkretnego programu.
Zależy od temperatury, czasu pracy, obciążeń, środowiska i wymaganego cyklu życia. W aplikacjach silnikowych wykorzystuje się m.in. Inconel 718, Inconel 625, Hastelloy X oraz inne nadstopy niklu. Dobór materiału powinien wynikać z analizy aplikacji.
Nie. Najczęściej technologie się uzupełniają. AM odpowiada za złożoną geometrię, kanały i konsolidację funkcji, a CNC za powierzchnie i tolerancje końcowe.
Może, jeśli proces i część zostały zakwalifikowane zgodnie z wymaganiami programu, OEM i właściwego regulatora. Poprawny wydruk nie jest automatycznie częścią dopuszczoną do lotu.
Od części. Benchmark i pierwsza seria pozwalają ocenić technologię, materiał, jakość i ekonomię. Dopiero potem można odpowiedzialnie porównać outsourcing, model łączony i produkcję in-house.
Nie zaczynaj od wyboru drukarki. Zacznij od geometrii, materiału i warunków pracy. Prześlij model. Sprawdzimy, czy metalowy druk 3D rzeczywiście daje przewagę w Twojej aplikacji.
