Silniki lotnicze z drukarki 3D
Ruch na niebie jest coraz większy. Dotyczy to zarówno lotów pasażerskich, jak i towarowych. Dziś samoloty muszą nie tylko spełniać surowe normy bezpieczeństwa, ale zarazem minimalizować swój wpływ na środowisko. Producenci powinni też dbać o konkurencyjne ceny, aby nie wypaść z rynku. Jak pogodzić te wszystkie, wydawałoby się, sprzeczne cele?
Odpowiedzią może być zastosowanie w projektowaniu i produkcji części lotniczych technologii przyrostowych, zwanych addytywnymi. I choć możemy mieć wrażenie, że to niewiele nam mówi, słyszymy o nich coraz częściej. Potocznie są nazywane drukiem 3D. Mimo że ta technologia powstała już w latach 80. XX w., jej potencjał nie był dotychczas w pełni wykorzystywany, zwłaszcza w lotnictwie.
Jakość i bezpieczeństwo
Uruchomienie seryjnej produkcji części lotniczych z użyciem metod przyrostowych nie jest tak proste, jak mogłoby się wydawać. Ma to związek ze szczególnie wysokimi standardami bezpieczeństwa obowiązującymi w lotnictwie. – Aby wprowadzić część drukowaną do produkcji seryjnej, trzeba nie tylko zaprojektować ją pod tę metodę wytwarzania, ale też zapewnić, że każdy egzemplarz – zarówno pierwszy, jak i dziesięciotysięczny – będzie miał wysoką jakość. W kwestii bezpieczeństwa nie ma miejsca na ustępstwa – mówi Tomasz Żochowski, menedżer sekcji Additive Manufacturing w GE Aerospace.
Brakowało narzędzia, które poprowadziłoby ustandaryzowany i kompleksowy proces projektowania parametrów aż do osiągnięcia restrykcyjnych wymagań dla części. Takie rozwiązanie opracowało konsorcjum składające się z GE Aerospace Poland, globalnego lidera w zakresie projektowania i produkcji komponentów do silników lotniczych, oraz Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Lotnictwa, ekspertów w dziedzinie lotnictwa i kosmonautyki. Na realizację projektu „Opracowanie i wdrożenie nowatorskiej usługi projektowania silników turboodrzutowych z wykorzystaniem technologii przyrostowych i zaawansowanych metod chłodzenia” spółka GE Aerospace Poland otrzymała niemal 1,2 mln zł dofinansowania z Funduszy Europejskich. Kolejne niespełna 1,8 mln zł pozyskała Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa. Współpraca ta zaowocowała innowacją na światową skalę: opracowaniem parametrów procesu druku 3D oraz stworzeniem aplikacji MEWA Toolkit. To nowatorskie narzędzie pozwala na skrócenie czasu projektowania parametrów o 81 proc., a wydruku – o około 23 proc. Ostatecznie cały proces będzie krótszy o co najmniej 30 proc., a jakość komponentów silników lotniczych wyprodukowanych w ten sposób – wyższa.
Zero ograniczeń
Konwencjonalne metody produkcji części lotniczych są energo- i czasochłonne. Wymagają też rozbudowanego zaplecza techniczno-produkcyjnego. W technologii przyrostowej zaprojektowanie części o pożądanym, często bardzo skomplikowanym kształcie, która będzie spełniać wysokie standardy jakościowe, jest znacznie prostsze i szybsze. To prawdziwa rewolucja! – Mając cyfrowy model części lotniczej, proszek metalowy oraz wysokiej jakości drukarkę, jesteśmy w stanie realizować produkcję zarówno nisko-, jak i wielkoseryjną, w zależności od zapotrzebowania rynku – mówi Michał Bujak, senior engineer w GE Aerospace. Znaczne oszczędności kosztów i czasu uzyskuje się w małych zamówieniach produkcji części zamiennych silników starszej generacji. – Jest to możliwe dzięki specjalnym drukarkom wykorzystującym wysokoenergetyczne źródła energii, takie jak laser czy wiązka elektronowa. Umożliwiają one topienie lub spiekanie kolejnych warstw proszku metalowego zgodnie z cyfrowym projektem komponentu – tłumaczy Paweł Żuk, advanced lead engineer w GE Aerospace.
Druk 3D znakomicie odpowiada na największe wyzwania, przed którymi staje projektant silników lotniczych. W technologii przyrostowej można zaprojektować i wyprodukować część silnika samolotowego o najbardziej skomplikowanym kształcie. W tradycyjnych technologiach jest to bardzo kosztowne lub wręcz niemożliwe. Część składa się więc wówczas z kilku komponentów produkowanych oddzielnie, a następnie łączonych ze sobą. Takie części są cięższe i szybciej się zużywają. W rezultacie podnosi to koszty eksploatacji samolotu. – W porównaniu do konwencjonalnych procesów wytwórczych, takich jak odlewanie i kucie, technologie przyrostowe wykraczają poza aktualne ograniczenia technologiczne. Pozwalają na dalsze ulepszanie komponentów w zakresie ich wytrzymałości i sprawności. To umożliwia poprawianie osiągów, redukcję kosztu i masy, a jednocześnie podniesienie bezpieczeństwa transportu, bez konieczności zmniejszania żywotności tych części – tłumaczy Michał Bujak.
Bez smug na niebie
Znaczące korzyści odnosi również środowisko naturalne. – W technologiach konwencjonalnych, np. obróbce skrawaniem, wytworzenie części o bardziej skomplikowanej geometrii było albo niemożliwe, albo wiązało się z koniecznością wyprodukowania większego gabarytowo półproduktu i jego dalszej, energochłonnej obróbki do docelowego, precyzyjnego kształtu. Pochodną tego procesu są odpady. Zastosowanie metod przyrostowych znacząco redukuje, a niejednokrotnie eliminuje ich produkcję. Co więcej, proszek metalowy pozostający po produkcji danego elementu może zostać użyty ponownie, co przyczynia się do tworzenia gospodarki obiegu zamkniętego – tłumaczy Paweł Żuk.
Bez technologii przyrostowych trudno też myśleć o bardzo ambitnym celu, jakim jest elektryfikacja samolotów. Napędy hybrydowe oraz w pełni elektryczne wytwarzają podczas pracy bardzo dużą ilość ciepła, która musi być skutecznie odprowadzana. – Do rozwiązania tego problemu wymagane będzie użycie skomplikowanych geometrycznie wymienników ciepła, których produkcja z zastosowaniem konwencjonalnych technologii jest praktycznie niemożliwa i wymaga wykorzystania druku 3D – zauważa Tomasz Żochowski.
Zmiana wisi w powietrzu
Wzrost wykorzystania technologii przyrostowych ma szansę realnie wpłynąć na sposób wytwarzania części do samolotów. Dzięki niemu możliwy będzie zdecentralizowany model produkcji, dostosowany do bieżących potrzeb rynku. – Wysokiej jakości drukarki 3D wraz z opracowanymi parametrami druku oraz części lotniczych umożliwią produkcję bez ponoszenia wysokich kosztów na rozbudowane linie produkcyjne. Jednocześnie skrócą jej czas i zredukują ilość odpadów. Wykorzystanie metod przyrostowych pozwoli także na drukowanie części zamiennych wtedy, kiedy są one niezbędne, i tam gdzie są niezbędne. Dzięki takiej decentralizacji branża będzie bardziej odporna na zawirowania w łańcuchach dostaw – podsumowuje Artur Rudnik, dyrektor Engineering Design Center w Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa.
Technologie przyrostowe są odpowiedzią na wyzwania, przed którymi stoi przemysł lotniczy. Elastyczne podejście i innowacyjność pozwalają osiągnąć lepsze efekty i ograniczyć niekorzystny wpływ na środowisko.
Marek Rokita
Projekt: Opracowanie i wdrożenie nowatorskiej usługi projektowania silników turboodrzutowych z wykorzystaniem technologii przyrostowych i zaawansowanych metod chłodzenia, wartość projektu: ok. 4,9 mln zł, dofinansowanie z UE: ok. 2,9 mln zł.