Repülőipari projektben bizonyít a 3D fémnyomtatás

Egy-egy alkatrész megfelelő tervezése az adott gyártástechnológia korlátjai mentén az ipari forradalom óta mindig is fejtörést okozott a tervezőmérnököknek. A konvencionális gyártástechnológiák számára korlátozottan lehetséges komplex geometriai alakzatok vagy organikus formájú komponensek költséghatékony legyártása. Ebből gyakran következik, hogy a tervezőnek kompromisszumot kell kötnie az alkatrész funkcionalitása és teljesítménye rovására.

Napjainkban, mikor az additív gyártástechnológiák (közismertebb nevén 3D nyomtatás) és kifejezetten a 3D fémnyomtatás már használható alternatívák a szokványos gyártástechnológiák helyett, a régi technológiai korlátok nagyrészt eltűntek. A topológia-optimalizáló szoftverek mára képesek lettek a legnagyobb hatékonyságot elérő 3D-s állományok készítésére, amiket a fémnyomtatók legújabb generációja egy lépésben le is gyárt. A digitális gyártással gyakorlatilag lehetővé vált, hogy a megtervezett modellt közvetlenül készítsük el.

A technológiák efféle összefolyását jól mutatja a Frustum szoftvercég és a 3D Systems bérnyomtatási részlege, a Quickparts közös projektjének sikere. A két cég a GE repülőipari leányvállalata (GE Aircraft) által kiírt pályázatra állította össze győztes anyagát. A GE Aircraft közzé tett egy nyilvános felhívást külső cégek számára, amelyre várta a pályaműveket. A feladat: csökkenteni egy repülőgép-hajtómű burkolatát tartó konzol súlyát úgy, hogy a konzol erősségéből, tartósságából, teherbírásából ne veszítsen.

A súly kritikus természete

A motorizált szárazföldi-, légi-, és vízi- közlekedés kezdete óta a mérnökök mindig is arra törekedtek, hogy megtalálják az egyensúlyt egy jármű súlya és szilárdsága között. Ez a kényes egyensúly még fontosabb lett a közelmúltban, a gyártók között egyre kiélesedő globális verseny, a mind szigorúbb energiatakarékossági rendelkezések, a folyton növekvő költséghatékonysági elvárások és egyre szorítóbb szállítási határidők miatt.

Különösen igaz ez a modern repülőgépiparra. Bár egy Boeing 737 nagyjából 65 tonna súlyú, akár csak fél kilogrammos súlycsökkenés is évi százezer dolláros nagyságrendű megtakarítást jelenthet egyes légitársaságok számára. Hogyha a képletbe belevesszük a világ összes repülőgépét, akkor az összes megtakarítás bőven 10 millió dollár fölé tehető – írja pályázatának indoklásában a GE Aircraft.

Teljesítmény-optimalizált formatervezés

A GE Aircraft pályázatának teljesítéséhez a Frustum topológia-optimalizáló szoftvere tette meg az első lépéseket a súly és igénybevételek, valamint a szilárdsági követelmények felmérésével. A topológia optimalizálás határozza meg egy alkatrész geometriáját figyelembe véve a kitett igénybevételeknek. Számításba veszi a rendelkezésre álló befoglaló méretet, a csatlakozó méreteket, az alkatrészre eső, súlyból és más tényezőkből (például nehézségi erő, vibráció) származó terhelést, és az alapanyagra megengedhető legnagyobb feszültséget.

A Frustum szoftvere automatikusan generál optimalizált geometriákat a meglévő CAD fájlok alapján. A tervezési tulajdonságok figyelembevételével készíti el a testet. Az organikus, lekerekített felületek kisebb súlyú alkatrészhez vezetnek és csökkentik a feszültséggyűjtő helyeket.

„A repülőgép konzol rendelkezésre álló CAD terve alapján a szoftverünk generált egy optimalizált geometriát a digitális gyártás számára anélkül, hogy szükség lett volna bármiféle áttervezésre”– nyilatkozta Jesse Blakenship, a Frustum ügyvezetője.

Szemben a hagyományos CNC-megmunkálással vagy fémöntési eljárásokkal, a topológia-optimalizálással generált modell összetettsége nem jelent gondot a direkt fémnyomtatásnál (DMP), mivel az a rendkívül bonyolult alakzatokat is könnyen, extra költségek nélkül kezeli.

A 3D nyomtatási szakértelem

A Frustum előzetes modelljének elkészültét követően a 3D Systems fémnyomtatási szakértelme került sorra.

A 3D Systems bérnyomtatási részlege a Quickparts, a világ vezető 3D nyomtatási szolgáltatója, akik egyedi tervezésű alkatrészek bérgyártását végzik, online ajánlat-adással és több mint 10 éves 3D nyomtatási tapasztalattal a hátuk mögött. A világszinten ismert és elismert Quickparts 100-nál több alkalmazástechnológus mérnöke átfogó szakértelemmel rendelkezik a fémnyomtatás (DMP) terén.

– A direkt fémnyomtatás (DMP) sokkal összetettebb eljárás, mint a polimerekkel való munka – mondja Jonathan Cornelus, a 3D Systems Quickparts üzletfejlesztési vezetője. – Segítettünk, hogy a DMP nyomtatás kritériumainak megfelelően fejlesszék az alkatrészt, minimalizálva a gyártás során felléphető kockázati tényezőket. A megrendelt komponensek legyártásánál olyan optimalizált beállításokat alkalmazunk, amelyeket egy évtizednyi additív fémgyártás tapasztalatainak összegzéséből alkottunk meg.

Gyártsunk egy jobb alkatrészt!

A GE repülőgép konzol esetében a Frustum szoftvere az eredeti terv digitális állományát, egy CAD fájlt vett alapul, és azt a generálás végén egy STL fájlba exportálta.

A 3D Systems szakértői a gyártási folyamat során segítettek többek között kiválasztani a megfelelő alapanyagot, az alkatrész optimális orientációját a fémnyomtató építési terében, és azonosították a potenciális deformációs hibahelyeket. Az alkatrészt végül a 3D Systems ProX DMP 320-as fémnyomtatójával készítették el.

A fémnyomtató által használt nyomtatási beállítások a közel félmillió alkatrész kinyomtatása során szerzett nyomtatási tapasztalaton alapulnak. A megfelelő beállításokkal pedig szinte bármilyen geometria kinyomtathatóvá válik, kiváló felületi minőséggel és tökéletes ismételhetőséggel.

A ProX DMP 320 újratervezett nyomtató, amely sokkal egyszerűbben kezelhető és biztosítja a széles anyagválasztékot a titántól kezdve, a rozsdamentes acélon át a nikkel ötvözetekig bezáróan.

A GE hajtómű konzol alapanyagául végül a szakértők titánt választottak, elsősorban kiemelkedő ellenállása miatt.

Cserélhető moduljai következtében a ProX DMP 320 könnyen állítható át egyik alapanyag (például: titán) felhasználásáról a másikra (például: rozsdamentes acélra). Építési terében tökéletesen kontrollált körülmények között, vákuum alá helyezett környezetben folyik a nyomtatás, ami biztosítja az alkatrész megfelelő tömörségét és a fém vegytisztaságát. Az eljárás során fel nem használt alapanyag teljes mértékben újrahasznosítható, aminek költségtakarékosság mellett környezeti előnyei is vannak.

Gondolatébresztő az autóiparnak

A Frustum tervezésében és a 3D Systems additív fémnyomtatási technológiával elkészített alkatrész maradéktalanul megfelelt minden, a GE Aircraft pályázatában foglalt igénybevételi követelményeknek. Mindamellett, hogy az alkatrész befoglaló mérete nem nőtt és összességében egy elképesztő, 70 százalékos súlycsökkenést sikerült elérni az áttervezett és DMP technológiával legyártott alkatrésszel.

– Egy ilyen projekt szolgálhat gondolatébresztőként az autóipari-, légi-, és űripari vállalatoknak. Hiszen ezek azok az iparágak, amelyeknél a súlycsökkentés melletti funkcionalitás megtartás vagy funkcióbővítés alapvető kívánalom. A formatervezéstől a mérnöki megvalósításon át a gyártástechnológiáig minden ekörül forog – mondta Cornelus.

Az alkatrész kialakításán és alkalmasságán túlmenően Cornelus arra mutat rá, hogy a topológia optimalizálás a DMP gyártástechnológiával együtt használva nagyon gyakran adja meg az egyszerűsítés lehetőségét. Korábban több komponensből összeszerelt modulok lesznek kiválthatóak egyetlen nagyobb teherbírású alkatrésszel. Az összeszerelési idő csökkenésével együtt ez kiiktatja kötőelemek és csatlakozók egész sorát, kiküszöbölve az általuk felmerülhető hibákat is.

Végül pedig, de nem utolsó sorban, a DMP technológia hatalmas előnye a gyorsaság. Ellenálló alapanyagokból (mint a titán, rozsdamentes acél, nikkel ötvözetek) készülő, minőségi, egyből beszerelhető komponensek válnak vele elérhetővé akár megrendeléstől számított két héten belül. Ehhez hasonló gyorsaság pedig hatalmas versenyelőny lehet – amely egyre gyakrabban válik követelménnyé számtalan iparágban.