В лаборатории, расположенной в штате Теннесси, манипулятор на протяжении восьми недель формировал блок из расплавленной стали, высота которого составила 1,8 метра.
Ирина Медведева
Штамп для пресс-формы после окончательной обработки с добавлением других элементов. Источник: Baker Industries
Несмотря на то, что эта массивная конструкция внешне напоминает индустриальную скульптуру, по сути она является современным авиационным оборудованием. Данный инструмент, называемый штамповочной формой, применяется для создания легких и прочных дверей из термопластичных композитных материалов для самолетов нового поколения.
Инженеры, работающие в Окриджской национальной лаборатории и корпорации Boeing, изготовили эту металлическую форму при помощи передовой методики аддитивного производства, известной как дуговая сварка проволокой. В состав формы входят низкоуглеродистая и нержавеющая стали, а также внутренние изогнутые каналы для охлаждения, которые улучшают прочность, срок службы и контроль температуры. Эта разработка создана в рамках проекта NASA по производству качественных композитных самолетов, целью которого является снижение массы коммерческих воздушных судов и повышение их экономичности.
Ричард Янг, руководитель программы NASA HiCAM, отметил, что NASA совместно с индустриальными партнерами стремится нарастить темпы выпуска композитных лайнеров, чтобы справиться с растущим спросом на авиаперевозки, а также уменьшить вес машин, что улучшает топливную экономию и снижает издержки для авиакомпаний. Он подчеркнул, что это крайне важно для поддержания лидерства США в сфере производства гражданской авиации.
Двухтонная металлическая форма
Обычно создание формы такого масштаба требует нескольких месяцев с использованием традиционных методов обработки металла — литья, ковки и глубокого сверления. Однако исследователи решили расширить технические возможности и проверить, можно ли с помощью аддитивных технологий изготавливать формы с контролем температуры быстрее и дешевле, чем классическими способами.
Для отказа от стандартных подходов, таких как механообработка и литье, Boeing в партнерстве с различными американскими предприятиями и Окриджской лабораторией напечатал штамп. Эта металлическая пресс-форма работает по принципу слоеного сэндвича, преобразуя листы горячего пластика в легкие термопластичные двери для самолетов.
В Окриджской лаборатории для реализации проекта использовалась установка Arc-1 — роботизированная система для дуговой сварки, которая позволяет выполнять аддитивное производство с послойным наплавлением. В отличие от стандартных принтеров, Arc-1 способна одновременно подавать несколько типов проволоки, что дает возможность плавить и наносить друг на друга разные металлы. Такая многоматериальность обеспечивает большую свободу в проектировании, позволяя адаптировать характеристики, универсальность и геометрию сложных деталей.
Старший инженер по робототехнике в Окриджской лаборатории Анджей Нич пояснил, что технология WAAM с несколькими компонентами открывает дорогу для создания принципиально новых конструкций, которые объединяют улучшенные механические свойства с экономией времени и денег.
В пресс-форме Boeing применяется низкоуглеродистая сталь для обеспечения внутренней прочности и нержавеющая сталь для внешней поверхности, которая дает долговечность и защиту от коррозии.
Благодаря 3D-печати удалось создать встроенные изогнутые каналы, повторяющие контуры формы, чтобы оптимизировать процессы нагрева и охлаждения. Чтобы избежать деформации при тепловом воздействии в ходе остывания, специалисты добавили временные опорные ребра и провели 32 компьютерных моделирования для контроля точности геометрии.
Компания Baker Industries в Мичигане завершила обработку формы, проведя отжиг для снятия напряжений, удалив ребра и выполнив финальную отделку.
3D-печать — будущее авиастроения
Хотя для ряда деталей все еще требовались классические методы, процесс 3D-печати легко масштабируется для создания аналогичных крупногабаритных инструментов. Успешный опыт этого испытательного проекта прокладывает путь к более широкому промышленному внедрению в ключевых отраслях.
Ахмед Араби Хассен, руководитель группы инноваций в области композитов в Окриджской лаборатории, отметил, что проект использовался как тестовый, и его успех доказывает, что технологию можно применять для изготовления крупных термопластичных конструкций в других секторах американской экономики, например, в энергетике и автомобилестроении.
Термопластичные композиты весят меньше, чем традиционные алюминиевые корпуса самолетов. Более легкие машины требуют меньшего количества авиационного топлива, что напрямую уменьшает выбросы CO2 и снижает эксплуатационные затраты для перевозчиков.
Данный метод аддитивного производства с использованием проволочной дуги и нескольких материалов может быть полезен не только в гражданской авиации. Производители электромобилей способны применить эту технологию для штамповки легких кузовных деталей, что увеличит запас хода и эффективность батарей. Компании, занятые в сфере возобновляемой энергии, могут печатать крупные инструменты для создания массивных композитных лопастей ветрогенераторов.
Наконец, экономический эффект от внедрения подобных технологий выходит за рамки прямого сокращения времени производства. Возможность локального изготовления крупногабаритных форм на площадке заказчика или вблизи конечных сборочных линий снижает логистические издержки и упрощает процесс внесения конструктивных изменений.
Вместо того чтобы транспортировать массивные заготовки через полмира, предприятие может напечатать форму непосредственно на месте, оперативно внося правки в цифровую модель. Это особенно важно в условиях высокой волатильности спроса, когда требуется быстрая перенастройка производственных мощностей.
Таким образом, испытанный проект в Теннесси становится не просто демонстрацией технического достижения, а отправной точкой для формирования новой индустриальной парадигмы, где гибкость и скорость создания инструментальной оснастки становятся такими же важными, как и качество самого конечного продукта.
Дальнейшее развитие технологии
Дальнейшее развитие этой технологии, безусловно, потребует решения ряда инженерных задач, связанных с масштабированием и стандартизацией.
Одним из ключевых направлений станет разработка более совершенных алгоритмов управления роботизированными комплексами, способных в реальном времени корректировать параметры сварки в зависимости от поведения металла при охлаждении.
Это позволит минимизировать остаточные напряжения и исключить необходимость в сложных компьютерных симуляциях для каждого нового изделия. Кроме того, переход от единичных экспериментальных образцов к серийному производству потребует создания автоматизированных линий, где операции по наплавке, термической обработке и механической финишной отделке будут интегрированы в единый цикл, что существенно сократит время производственного цикла и снизит трудозатраты.
Вторым важным аспектом является расширение номенклатуры применяемых материалов. Использование многоматериальной печати открывает возможности для создания функционально-градиентных структур, где свойства металла меняются по объему изделия.
Например, можно создать форму, у которой внутренняя часть выполнена из высокопрочной стали, а внешняя — из коррозионностойкого сплава с улучшенными теплофизическими характеристиками. Это позволит адаптировать оснастку под конкретные технологические процессы, будь то горячее формование термопластов или литье под давлением, обеспечивая оптимальный баланс между износостойкостью, теплопроводностью и стоимостью изготовления.
Также ведутся исследования по использованию титановых и алюминиевых сплавов для создания еще более легких инструментов, что особенно актуально для мобильных производств и обслуживания в удаленных регионах.
Третьим направлением становится интеграция датчиков и элементов мониторинга непосредственно в печатную структуру.
Поскольку каналы для охлаждения создаются на этапе изготовления, в них можно встраивать миниатюрные термопары и датчики давления, которые будут передавать данные в систему управления прессом в реальном времени. Это позволяет перейти от статической настройки режимов к динамической адаптации процесса формования, компенсируя неравномерность нагрева или изменение свойств материала в ходе цикла.
Подобный подход не только повышает качество готовых изделий, но и дает возможность продлить срок службы самой оснастки за счет своевременного выявления усталостных явлений и предотвращения аварийных ситуаций.
Кроме того, организации, работающие в космической отрасли, могут воспользоваться этим методом быстрого изготовления оснастки для создания прочных форм для ракетных обтекателей и конструкций капсул.
