항공우주 및 국방 분야에서 3D 프린팅의 놀라운 진화

아직 비행에 필수적인 하드웨어는 아니지만 상업용 및 군용 항공기 및 우주선용 3D 인쇄 부품으로 인해 무게와 재료 비용을 더 쉽게 줄일 수 있습니다. 번역:여기에는 매우 구체적인 사용 사례에 대한 ROI가 있으며 절약된 비용을 잘 활용함으로써 기능적 이득을 얻을 수 있습니다.

적층 제조의 미래는 밝습니다. 그러나 항공 우주 및 방위 산업은 얼마나 밝을까요? 3D 인쇄 부품이 오늘날 어떻게 영향을 미치고 있는지 살펴보고 몇 가지 제한 사항을 살펴봅니다.

우리는 3D Systems 및 3DDirections의 엔지니어링 전문가와 대화하여 항공우주 및 방위 분야의 적층 제조 및 3D 프린팅이 어디로 향하고 있는지 알아보았습니다. 하지만 먼저 이 활기찬 업종에서 업계의 진화를 살펴보겠습니다.

3D 프린팅의 역사 및 항공우주 및 국방용 첨가제 부품

항공 우주 및 방위 산업, 특히 미군은 3D 인쇄 부품의 얼리 어답터였지만 플라스틱의 화재 및 독성 등급이 우주 및 그 이상에서 비행용 금속과 동등하지 않았기 때문에 대부분 테스트 및 시뮬레이션용이었습니다. 구름.

3D Systems의 응용 엔지니어인 Bryan Newbrite는 이러한 테스트 부품이 주로 드론과 위성에 사용되었다고 설명합니다. 2008년에서 2013년 사이에 Bluestone과 같은 적층 플라스틱은 풍동 및 덕트 부품과 같은 테스트에 사용되었지만 세라믹 수지도 시뮬레이션에 사용되었습니다.

이러한 사용 사례는 바람의 흐름을 모방하는 데 적합했습니다. 이 부품은 인간과 함께 사용된 적이 없습니다. 이 시대 이전인 1990년대 중반에는 퀵 캐스팅을 위해 일부 3D 부품이 사용되었습니다.

2007년에서 2013년 사이에 상황이 바뀌기 시작했습니다.

"항공우주 분야의 가장 큰 변화는 실제로 난연성 선택적 레이저 소결의 개발이었습니다."라고 Newbrite는 말합니다. "상업 항공기에서 사용하기 시작한 몇 안 되는 것 중 하나입니다. 기본적으로 나일론 12 또는 나일론 11을 사용하고 화염 테스트를 통과하기 위해 난연제를 추가했습니다."

이는 재료가 불을 붙이지 않고도 열을 유지할 수 있고 유독 가스를 방출하지 않고 빠르게 꺼질 수 있다는 것을 의미했기 때문에 중요했습니다.

그것은 위성에서 처음 사용되었습니다. 주된 이유? 투자 수익.

Newbrite는 "위성을 정지궤도에 두는 데 킬로그램당 $40,000에서 $50,000가 소요됩니다."라고 말합니다. "따라서 위성의 구조적 브래킷이나 내부 부재를 설계하고 몇 킬로그램을 깎을 수 있다면 첨가제를 사용하여 구축해야 하는 실제 추가 비용은 감당할 수 없습니다."

항공우주 분야의 3D 프린팅 역사에서 중요한 순간:GE의 LEAP 엔진 연료 노즐

상업용 항공기용으로 제작된 가장 주목할만한 추가 부품 중 하나는 LEAP 엔진용으로 GE에서 3D 인쇄한 연료 노즐이었습니다. 연구 개발 노력이 어떻게 결실을 맺고 혁신에 대한 많은 관심을 받는지를 보여주는 빛나는 예입니다.

"GE가 이 프로젝트에서 성공한 방법은 무차별 대입을 사용하여 수행해야 한다는 것이었습니다. 즉, 인쇄할 수 있는 실행 가능한 부품으로 자격을 부여할 수 있도록 수천 개의 노즐을 만들었습니다. "라고 적층 제조 컨설턴트이자 기계 엔지니어링 전문가인 3DDirections의 설립자이자 사장인 Chris Barrett이 설명합니다.

Barrett은 Universal Technology Corporation에서 연구 과학자로 일하며 박사 학위를 받았습니다. 오하이오에 있는 Youngstown State University의 후보자입니다.

Barrett은 "이전에는 기본적으로 다양한 유형의 호일 층을 여러 겹으로 뭉개는 방식으로 만들었습니다."라고 말합니다. “그리고 그것이 그들이 필요한 복잡성을 얻을 수 있는 유일한 방법이었습니다. 3D 버전의 경우 동일한 레이어 방식을 사용했지만 수동으로 수행하는 그림입니다.”

GE에 따르면 3D 프린팅 노즐은 "이전 모델보다 5배 더 내구성"이 있으며 "엔지니어가 더 간단한 설계를 사용하여 납땜 및 용접 수를 25개에서 5개로 줄였습니다."

일반적인 3D 인쇄 및 적층 제조 주제:부품, 단계 또는 무게 감소

Barrett과 Newbrite는 항공 우주 및 방위를 위한 대부분의 3D 인쇄 부품이 오늘날 비행에 중요하지 않다고 지적합니다. GE의 연료 노즐 진출에도 불구하고 대량 생산이 문제입니다.

"시간이 지남에 따라 적층 기술과 접근 방식이 따라잡을 것이라고 확신합니다."라고 Newbrite는 말합니다. “하지만 비용 측면에서 보면 지금 당장은 생산 단계에서 많이 볼 수 없습니다. 대형 상업용 항공기는 매우 효율적이 되었습니다. 실제로, 현재 대부분의 사용 사례는 무게가 정말 중요한 군사, 드론, 무인 항공기 및 위성에 집중되어 있습니다."

고급 정밀 CNC 기계를 사용하는 전통적인 제조 방법은 여전히 ​​가장 비용 효율적이기 때문에 업계를 계속 지배할 것입니다.

Barrett은 "일반적으로 기존 비용의 10~100배입니다."라고 말합니다. "그래서 하루가 끝나면 10~100배 개선된 모습을 보여줘야 합니다."

그러나 오늘날 사용 중인 일부 응용 프로그램이 있으며 평가 중인 다른 응용 프로그램도 많이 있습니다. Boeing, Airbus, Honeywell, GE 및 Lockheed Martin을 비롯한 대형 상업 및 방위 OEM은 적층 제조 연구에 막대한 투자를 하고 있습니다.

Barrett은 비행기 엔진의 대부분의 부품(고급 터보프롭 또는 ATP)을 인쇄하려고 시도했고 티타늄 초합금을 사용하여 성공한 GE의 또 다른 R&D 프로젝트를 지적합니다.

Barrett은 “GE는 855개의 부품으로 만들어진 엔진을 12개로 줄였습니다. "엔진 무게를 100파운드 줄이고 연료 효율을 20% 높일 수 있었습니다."

GE ATP 엔진의 모든 3D 인쇄 구성 요소를 확인하십시오. 출처:GE

무게 감소는 또한 이전 모델에 비해 10%의 전력 증가를 허용했습니다. 이 엔진은 Textron Aviation의 Cessna Denali 항공기용으로 생산될 예정입니다.

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항공우주 및 국방을 위한 3D 프린팅:MRO 및 예비 부품 

3D 프린팅의 더 흥미로운 사용 사례 중 하나는 C-130 및 B-52에서 볼 수 있는 것과 같은 레거시 항공기용 예비 부품을 만드는 것입니다. 항공기는 더 오래되었지만 여전히 화물과 군대를 수송하는 데 사용되고 있으며 부품을 교체하기가 점점 더 어려워지고 있다고 Barrett은 설명합니다.

문제? 항공기는 장기간(때로는 예비품 부족으로 인해 몇 년 동안) 동안 접지될 수 있습니다. 이 항공기 중 일부는 50년 전으로 거슬러 올라가며 회사는 더 이상 부품을 만들지 않거나 폐업했습니다. 예비 부품을 만들고자 하는 회사는 이를 완성하는 데 몇 년이 걸릴 수 있습니다.

Barrett은 "이 연구를 시작했을 때 이 부품 중 일부가 비행기에 앉아 있고 수십 년 동안 두들겨져 있기 때문에 비행기가 늘어나고 뒤틀릴 때 늘어나거나 뒤틀리는 것을 발견했습니다."라고 말합니다. “그래서 각 부분이 조금씩 다르기 때문에 지금 90도 회전은 더 이상 90도가 아니라 85도가 될 수 있습니다. 글쎄, 나는 이러한 모든 차이점을 설명하는 하나의 주조 금형을 만들 수 없습니다. 따라서 3D 프린팅을 위한 완벽한 케이스입니다.”

3D Systems 및 기타 회사와 같은 회사는 3D 스캐너를 평면에 가져와 디지털 파일을 생성하고 현재 상태에서 해당 부품의 모양과 형상에 맞게 조정된 각 부품을 인쇄하여 각 평면에 대한 맞춤형 부품을 만들 수 있습니다.

레거시 군용 항공기용으로 제작되는 MRO 및 예비 부품을 참조하십시오. 출처:3D 시스템즈

이 레거시 예비 부품 프로젝트에는 공군 연구소에서 자금을 지원하는 MAMLS(Maturation of Advanced Manufacturing for Low-Cost Sustainment)라는 이니셔티브를 통해 여러 공공 및 민간 조직이 참여합니다.

C-130 항공기로 진출한 제조업체 중 하나는 2018년 국제 제조 기술 쇼(International Manufacturing Technology Show)에서 Better MRO에 소개된 회사인 Metro Aerospace입니다. Metro Aerospace는 마이크로베인 부품을 군에 납품하고 있습니다. 마이크로베인은 유리와 나일론 비드를 포함하는 가볍고 비부식성이며 내구성이 뛰어난 폴리머 합성물로 만들어집니다.

문서에서 Metro Aerospace의 도전과 생산 성공에 대한 모든 내용을 읽어 보십시오. 3D 인쇄 부품을 항공우주 시장에 출시하는 방법 .”

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