پرینتر سه بعدی در صنعت هوافضا

کاربردهای پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا

 به طور کلی، صنعت هوافضا یکی از اولین پذیرندگان فناوری چاپ سه بعدی با استفاده ابتدایی در اواخر دهه ۱۹۸۰ ثبت شد. امروزه نیز هنوز صنعتی به شمار می­رود که دارای بالاترین میزان استفاده از فناوری­های چاپ سه بعدی است.

تاثیرات پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا
اثرات پیش بینی شده فناوری پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا تا سال ۲۰۲۵

پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا چه کاربردی دارد؟

می شود گفت آینده صنعت هوافضا را پرینت سه بعدی کامل خواهد کرد. کاربردهای پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا به طور دقیق در تمام بخش ها قابل مشاهده است:

۱.

طراحی ارتباطات

طراحی در صنعت هوافضا اغلب به عنوان مدل­های مفهومی که اجزای یک هواپیما را نشان می­دهند آغاز می­شود. این­ها اغلب به طور منظم برای آزمایش­های آیرودینامیکی مورد استفاده قرار می­گیرند که برای هوافضا از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. برای تولید مدل­های با جزئیات بالا، صاف و مقیاس از طرح­ های هوافضا  از روش‌های پرینت سه بعدی SLA و Material Jetting استفاده می­شودند. مدل­های دقیق اجازه می­دهد تا قصد طراحی به وضوح بیان شود و شکل کلی یک مفهوم را به نمایش بگذارد.

نمونه هایی از مدل اجزای مختلف هواپیما که با استفاده از پرینت سه بعدی ساخته شده اند.

۲.

مرحله اعتبار سنجی

امروزه نمونه سازی با استفاده از چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا متداول شده است. از یک محفظه چرخ دنده فرود تمام اندازه که به سرعت با استفاده از پرینت سه بعدی FDM کم هزینه چاپ می­شود تا یک مدل مفهومی صفحه کنترل با تمام جزئیات و رنگ بالا، یک فرایند پرینت سه بعدی مناسب برای هر نوع نمونه سازی نیاز دارد.

 مواد مهندسی برای چاپ سه بعدی همچنین امکان آزمایش و اعتبار کامل عملکرد نمونه اولیه را فراهم می­کند.

۳.

پیش تولید

یکی از زمینه ­های پرینت سه بعدی و ارزشمند، تولید ابزارهای ارزان قیمت سریع برای قالب گیری تزریقی، ترموفورمینگ، جیگ و وسایل است. در صنعت هوا فضا، این اجازه می­دهد تا ابزارها سریعاً با هزینه کم تولید شوند و سپس برای تولید قطعات کم تا متوسط مورد استفاده قرار گیرند. این اعتبار هنگام سرمایه گذاری در ابزارهای پرهزینه در مرحله تولید، خطر را کاهش می­دهد و همچنین می­تواند اجزای تولید را برای مقادیر حداکثر ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ قطعه تهیه کند.

قطعات هواپیمایی تولید شده با استفاده از پرینت سه بعدی
تصویری از مدل، قالب و محصول نهایی با کیفیت که با هزینه کم و با استفاده از پرینت سه بعدی تولید شده است

۴.

تولید

از آنجا که حجم تولید در صنعت هوافضا به طور کلی زیاد است (بیش از ۷۰،۰۰۰ قطعه در سال)، چاپ سه بعدی عمدتا در گذشته به عنوان راه حل نمونه سازی استفاده می­شد تا ساخت قطعات نهایی. بهبود اندازه چاپگرهای صنعتی، سرعت چاپ آنها و مصالح موجود به این معنی است که چاپ سه بعدی در حال حاضر گزینه­ای مناسب برای بسیاری از تولیدات با اندازه متوسط، به ویژه برای ساخت داخلی با کیفیت بالا است.

۵.

سفارشی سازی

هنگامی که هزینه اجزای بسیار پیچیده یکبار مصرف را می­توان با بهبود چشمگیر در عملکرد هواپیما توجیه کرد، کاربردهای پرینت سه بعدی بر صنعت هوافضا تأثیر می­گذارد.

قطعات را می­توان برای یک هواپیمای خاص (سفارشی، براکت سبک) یا نوع هواپیما (بار، مسافر یا حتی هلیکوپتر) طراحی کرد. پرینت سه بعدی همچنین تجمیع بخشی و بهینه سازی توپولوژی بسیاری از اجزای سفارشی هوافضا را فراهم می­کند. این مورد در مطالعه موردی در بخش دوم بیشتر مشخص شده است.

موارد رایج استفاده از چاپ سه بعدی در هوافضا

۱.

Jigs & Fixtures

مزایای بزرگی برای برخی از کاربردی­ترین برنامه­ های چاپ سه بعدی وجود دارد، از جمله دستگاه ­های جیگ و وسایل. برای هر هواپیمای جداگانه، شرکت­ ها صدها دستگاه، راهنما، قالب و اندازه گیری سه بعدی دارند که عموماً ۶۰ تا ۹۰ درصد هزینه و زمان سربازی را در مقایسه با سایر مراحل تولید کاهش می­دهد.

۲.

جایگزین ها

جایگزین­ ها قطعاتی هستند که در طول تولید مورد استفاده قرار می­گیرند و نمایانگر اجزایی هستند که بعداً در مجموعه­ های نهایی نصب می­شوند. جایگزین­ ها عمدتا برای آموزش استفاده می ­شوند. ناسا و چندین پایگاه نیروی هوایی معمولاً از قطعات جانشین در طبقه تولید استفاده می­کنند.

قطعه ساخته شده در پرینت سه بعدی صنعت هوافضا

۳.

براکتهای نصب

چاپ سه بعدی معمولاً برای تولید براکت­های فلزی با حجم کم (با استفاده از پرینت سه بعدی DMSL/SLM) استفاده می­ شود که سیستم ­های پیچیده نجات دهنده زندگی را به دیوار داخلی هواپیما نصب می­کند.

۴.

تولید نمونه های اولیه بصری با جزئیات بالا

پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا با استفاده از متریال جتینگ می ­تواند طرح ­های چند رنگی با سطح پایان قابل مقایسه با قالب تزریق تولید کند. این مدل­ های بصری جذاب به طراحان اجازه می­دهد تا قبل از تصمیم گیری در مورد تولید، از شکل و تناسب قطعات بیشتر مطلع شوند.

این روش بسیار دقیق نمونه سازی برای آزمایش و تجزیه و تحلیل آیرودینامیک نیز ایده آل است، زیرا سطح قابل دستیابی اغلب نمایانگر قسمت نهایی است.

کاربردهای پرینت سه بعدی در صنعت هوا فضا، بر زیبایی و عملکرد قطعات متکی است، مانند دستگیره درها و محفظه­ های سبک برای کنترل چرخ­ها و طراحی کامل داشبورد داخلی استفاده می ­شود.

ملاحظات قابل توجه در استفاده از پرینت سه بعدی در صنعت هوا فضا

۱.

آزادی طراحی هندسی

برنامه ­های هوافضا از مواد مهندسی پیشرفته و هندسه­ های پیچیده برای کاهش وزن و بهبود عملکرد استفاده می­کنند. قطعات هوافضا اغلب شامل کانال­های داخلی برای سرمایش مطابق، ویژگی ­های داخلی، دیوارهای نازک و سطوح منحنی پیچیده است.

چاپ سه بعدی قادر به ساخت چنین ویژگی­ هایی است و علاوه بر این امکان ساخت سازه­ های بسیار پیچیده و سبک با ثبات بالا را فراهم می­کند. این درجه بالای آزادی طراحی، بهینه سازی توپولوژیکی قطعات و ادغام ویژگی­ های عملکردی را در یک جزء واحد امکان پذیر می­کند. همچنین، برخی از کاربرد­های پرینت سه بعدی، مانند، پرینت سه بعدی SLS ،  چاپ سه بعدی DMSL/SLM و تکنولوژی پرینت سه بعدی Binder Jet ، قادر به تولید دسته­ای کوچک با هزینه واحد مناسب هستند.

۲.

تجمیع در یک بخش واحد

آزادی طراحی ارائه شده توسط فرایند چاپ سه بعدی همچنین امکان ادغام چندین قسمت را در یک جزء واحد فراهم می­کند. این منجر به صرفه جویی در وزن (و در نتیجه کاهش هزینه) می­شود و همچنین میزان موجودی ذخیره شده در هر زمان را کاهش می­دهد.

۳.

پایان سطح

پایان سطح برای صنعت هوا فضا بسیار مهم است. قطعات چاپ سه بعدی را می­توان پس از پردازش تا سطح بسیار بالایی پردازش کرد. برخی از فن آوری­ها مانند مواد جت، می­توانند قطعاتی با قالب گیری صاف و تزریق مانند پایان کار چاپگر با پردازش کمی مورد نیاز تولید کنند. قطعات فلزی با کارایی بالا که با استفاده از تکنولوژی چاپ سه بعدی DMSL/SLM تولید می­شوند یا قطعات فلزی کم هزینه تولید شده با پرینت سه بعدی Binder Jetting نیز می­توانند پس از چاپ صاف و صیقل داده شوند یا با استفاده از ماشین CNC کار کنند تا دقت و سطح آنها بهبود یابد

۴.

گرایش قسمت

برای قطعات کاربردی که بار برهنه می­شوند جهت بخشی در پلت فرم ساخت بسیار مهم است. با توجه به لایه به لایه بودن چاپ سه بعدی، اکثر قطعات دارای خواص مکانیکی ناهمسانگرد هستند و در جهت Z ضعیف­تر خواهند بود. این امر باید در حین طراحی مورد توجه قرار گیرد.

۵.

ساختارهای پشتیبانی

از سازه ­­های پشتیبانی در چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا برای ارائه یک پایه محکم برای رسوب مواد در بالای برجستگی­ها یا در دیوارهایی با زوایای تند (بالای ۴۵ درجه) استفاده می­شود. پشتیبانی همچنین در چاپ سه بعدی فلزی بسیار مهم است، زیرا قطعات را در صفحه ساخت و پیچ و تاب می­کند.

قسمت­هایی که بر روی تکیه گاه­ها چاپ می­شوند دارای سطح پایینی هستند و برخی از علامت­های ناشی از برداشتن ساپورت را دارند. اگر مطلوب نباشد، فرآیندهایی وجود دارند که نیازی به ساختارهای پشتیبانی ندارند مانند پرینت سه بعدی SLS و چاپ سه بعدی  Binder Jetting.

مواد چاپ سه بعدی برای کاربردهای هوافضا

جدول زیر مواد پیشنهادی برای کاربردهای پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا را خلاصه می­کند:

مواد توصیه شده فرآیند توصیه شده الزامات بخش نمونه کاربرد
نایلون پر از شیشه SLS قطعات عملکردی مقاوم در برابر حرارت قاب نازل آسفالت محفظه موتور
رزین استاندارد SLA دستگیره¬های کاربردی سفارشی قسمت کنترل کنسول لوازم کابین
نایلون ۱۲ SLS مجاری انعطاف پذیر و فعالان زیر مجرای جریان هوا مجاری هوا
رزین استاندارد SLA قطعات بزرگ با سطح صاف پشتی صندلی و درهای ورودی پانل¬های اندازه کامل
رزین یا موم ریخته گری SLA مواد جت زدن و ریخته گری قطعات فلزی با استفاده از الگوهای چاپ سه بعدی براکت و دستگیره در قطعات ریخته گری فلزی
تیتانیوم یا آلومینیوم DMLS/SLM قطعات فلزی یکپارچه، سبک وزن و کاربردی سوسپانسیون استخوان جناق و موتور جت GE اجزای فلزی
دیجیتال ABS مواد جت زدن پایان استفاده از حاشیه¬های صفحه سفارشی رابط داشبورد حاشیه¬ها
رزین شفاف SLA مواد جت زدن و مدل¬های کاملاً شفاف و با جزئیات بالا نمونه¬های اولیه چراغ جلو چراغ¬ها

چند نمونه از شرکت­های درجه یک در صنعت هوافضا که از چاپ سه بعدی در تولیدات خود استفاده میکنند

  • بوئینگ

بوئینگ مدت زیادی است که در حال آزمایش چاپ سه بعدی است. چند سال پیش، بوئینگ برای تولید ماهواره به چاپ سه بعدی روی آورد و در سال ۲۰۱۹ اولین آنتن ماهواره­ای فلزی چاپ سه بعدی را ایجاد کرد. آنتن برای شرکت اسرائیلی Spacecom ساخته شد که ماهواره AMOS 17 خود را با موفقیت در ماه اوت گذشته پرتاب کرد. بوئینگ با استفاده از تولید افزایشی، توانست چندین قطعه را در مونتاژ بزرگ با یک قطعه چاپ سه بعدی جایگزین کند و وزن آنتن و زمان لازم برای تولید آن را کاهش دهد.

بوئینگ همچنین از تولید افزایشی در تولید بهترین جت­های خود سود می­برد. بوئینگ ۷۷۷x جدید مجهز به دو موتور GE9X است که بزرگ­ترین موتورهای جت جهان توسط GE Aviation است. علاوه بر نازل سوخت GE، موتور دارای بیش از ۳۰۰ قطعه چاپ شده باعث کاهش وزن موتور شد و بوئینگ ۷۷۷x ، با مصرف سوخت ۱۲ درصد و هزینه­های عملیاتی ۱۰ درصد کاهش، را به عنوان کارآمدترین جت دو موتوره در جهان تبدیل کرد.

نمونه اولیه هواپیمای بوئینگ 777X مونتاژ شده که با کمکم پرینت سه بعدی ساخته شده است
نمونه اولیه هواپیمای بوئینگ ۷۷۷X مونتاژ شده که با کمکم پرینت سه بعدی ساخته شده است
  • ایرباس

دو سال و نیم پیش ایرباس اولین قطعه چاپ سه بعدی تیتانیوم را برای یک هواپیمای تولید سری نصب کرد و از آنجایی که اجزای پیچیده تری با چاپ سه بعدی در هواپیماهای آن نصب شده است.

برای مثال ایرباس A350 XWB ، شامل بیش از ۱۰۰۰ قطعه چاپ سه بعدی است. علاوه بر این، ایرباس قراردادی با Premium Aerotec برای تولید سری قطعات فلزی و کامپوزیت امضا کرد که به درب پلیمر تقویت شده با فیبر کربن تبدیل می­شود.

  • ناسا

ناسا از تولید افزایشی برای توسعه اکتشافات فضایی به روش­های مختلف استفاده می­کند و چندین پروژه هیجان انگیز با همکاری شرکت مستقر در سانفرانسیسکو، Made In Space دارد.

با ۷۰۰۰ پوند قطعات یدکی که سالانه به ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) ارسال می­شود، ناسا سعی می­کند با استفاده از چاپ سه بعدی بار را کاهش داده و هزینه­ ها را کاهش دهد. ناسا با همکاری Made in Space، قطعات پلیمری سه بعدی مانند یک وسیله برای نگه داشتن مانیتور جریان هوا، یک پوشش سنسور برای مانیتورهای تابش و یک کشنده که دو ماهواره پرواز آزاد را در محیط ISS متصل می­کند، دارد.

ناسا و Made in Space در حال حاضر با چاپ سه بعدی در فناوری گرانش صفر با AMF (تسهیلات تولید افزایشی) تجربه کرده­ اند. اما اخیرا، چشم انداز تولید خارج از زمین یک قدم جلو رفت، زمانی که ناسا و Made in Space یک بازیافت پلیمر را به ISS راه اندازی کردند.

تایید اولین چاپگر سه بعدی ناسا برای استفاده در فضا
تایید اولین چاپگر سه بعدی ناسا برای استفاده در فضا

بازیافت با پردازش مواد اولیه مانند پلی اتیلن و تبدیل بسته بندی­های پلاستیکی و زباله­ ها به مواد اولیه قابل استفاده برای چاپ سه بعدی، پایداری ماموریت­های فضایی طولانی مدت را بهبود می­بخشد.

سخن پایانی

کاربردهای پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا فرصت­های امیدوارکننده­ای را برای تولید حجم کم هوافضا ارائه می­دهد. آنچه قبلاً یک فناوری جدید برای نمونه سازی اولیه بود امروزه به عنوان ابزاری در مقیاس کامل برای تولید قطعات مورد استفاده نهایی مورد استفاده قرار می­گیرد.

ما بر این باوریم که پرینت سه بعدی در صنعت هوافضا با استفاده از فرآیندهایی مانند طراحی مولد و بهینه سازی توپولوژی برای کاهش وزن – آرزوی دست نیافتنی مهندسی هوانوردی و یکی از بزرگ­ترین چالش­ها در این صنعت، از تولید افزایشی سود خواهد برد.

ما دقیقاً نمی­دانیم که چه زمانی می­توانیم هواپیماها را به طور کامل مجهز به قطعات چاپ سه بعدی ببینیم اما مطمئناً کنجکاو هستیم که ببینیم آینده چه چیزی را برای این صنعت نوآورانه سریع به ارمغان خواهد آورد.

اسلاید قبلی
اسلاید بعدی