Почему авиационные, ракетно-космические компании и ОПК используют аддитивное производство?

Когда аддитивное производство из металлов (АПМ), а особенно выборочное лазерное сплавление металлов в порошке (Powder Bed Fusion – Laser Beam, LB-PBF), станет общепризнанной и надежной технологией производства, особенно для авиации, космоса и оборонной промышленности? Этот процесс начался несколько лет назад и активно продолжается в настоящее время. За последние 18 месяцев множество лидеров аэрокосмической отрасли, OEM-производителей, стартапов и контрактных производителей (КП) приобрели или начали передавать на аутсорсинг передовые системы аддитивного производства (АП). Они уверенно печатают конечные детали, а иногда и целые ракетные двигатели.

В квартальном исследовании роста доходов ведущих производителей систем АПМ, опубликованном летом 2022 года, сообщалось, что промышленный сектор вырос на 19% по сравнению с тем же периодом 2021 года. Это было приведено в качестве доказательства того, что компании и пользователи стремятся инвестировать в более крупные и мощные промышленные АПМ-решения, которые обеспечивают большую эффективность и производительность.

Например, компании Pratt & Whitney, Lockheed Martin, SpaceX, Honeywell и другие явно осознали, что эта технология способна обеспечить производство критически важных продуктов. В частности, SpaceX быстро продвигается по пути АП, установив у себя более десяти промышленных систем. 

Этот процесс можно наблюдать не только в крупных компаниях, но и в стартапах "нового космоса". Например, Launcher и Aerojet Rocketdyne находятся в процессе приобретения нескольких аддитивных систем, и при этом компании готовы представлять собственные разработки и выпускать конкурентоспособные ракеты в поразительно короткие сроки. 

Более того, многие контрактные производители, обслуживающие аэрокосмических и оборонных заказчиков, включая Wagner Machine, Vertex, Hartech Group и Knust-Godwin, также активно внедряют системы АПМ в свои цеха механообработки из-за очень сложных деталей, которые невозможно изготовить иным способом. Передовые технологии и системы для АП уже сегодня способны удовлетворять все возрастающее требование аэрокосмической и оборонной промышленности к облегчению изделий. Это достигается за счет консолидации деталей с использованием все более широкого выбора легированных порошков, пригодных для 3D-печати. Возможности печати любой геометрии или топологически оптимизированных компонентов с улучшенными показателями производительности отличает АП от других производственных методов за счёт:

• создания сложных внутренних каналов, 
• производства лопаток и трубопроводов с малым углом наклона, без поддерживающих структур, 
• реализации сложной геометрии, которую при традиционном производстве невозможно было бы изготовить.

АП в коммерческой авиации 

Ответственность и осторожность, связанная с перевозкой людей по воздуху, привела к тому, что нормативная среда в некоторой степени замедлила продвижение коммерческой авиации к обширному внедрению АПМ. Несмотря на то, что различные 3D-печатные детали были сертифицированы крупными корпорациями (наиболее известным примером являются компоненты авиационных двигателей компании GE), все-таки это потребовало от них многих лет разработок и значительных затрат (FAA 14 CFR 21.1 разрешает производителям планера, двигателей и пропеллеров печатать детали, при этом предъявляются строгие требования к сертификации). 

Однако, прошлогоднее объявление о создании спецификации материалов для разработки и стандартизации свойств металлических материалов MMPDS (Metallic Materials Properties Development & Standardization) для сплава Инконель 718, является шагом к выравниванию условий для различных авиационных компаний. MMPDS — это промышленный источник норм проектирования, признанный FAA, DoD и NASA. Инконель - первый из нескольких материалов (следующими будут алюминий и титан), которые уже используют в 3D-печатных деталях и ремонте. 

В свою очередь это повышает ценность АПМ для коммерческой авиации при "исправлении" цепочки поставок, т.е. когда в литейном цеху невозможно изготовить устаревшую деталь, или же когда сроки изготовления замены неудовлетворительны. Технология LB-PBF может помочь компенсировать высокие затраты на замену традиционно производимых единичных деталей в условиях неопределенности спроса и долгосрочного прогнозирования. Это существенно влияет на экономику будущих проектов технического обслуживания, ремонта и эксплуатации (ТОиР). 

Например, при производстве сложных компонентов газовых турбин с оптимизированной внутренней геометрией, которые будут иметь ограниченное послепродажное предложение или высокую стоимость замены, АПМ может позволить контрактным производителям разрабатывать оборудование для своих заказчиков по требованию, избегая высоких затрат на оснастку и сроки изготовления новой продукции, характерные для других производств.

АПМ в аэрокосмической и оборонной промышленности 

В последние несколько лет АПМ развивается быстрее, чем коммерческая авиация, беспилотные космические полеты, запуск спутников, гиперзвуковые исследования и разработки, а также производство беспилотников. Спектр применения АПМ уже достаточно широк. Например, АПМ используется для изготовления единого крупного узла сопел/камер сгорания, крыльчаток, статоров, топливных баков, корпусов насосов, сложных трубок и легких микротурбин.

Качество продукции, достижимое сейчас с помощью передовых систем LB-PBF, а также более выгодная экономика производства характеризуют АПМ как более востребованное направление производства.

Сначала аутсорсинг контрактными производителями, затем - собственное АПМ

Крупные компании в аэрокосмической отрасли начали вкладывать большие средства в АПМ. SpaceX, как уже упоминалось ранее, безусловно, заняла лидирующую позицию. Другие же компании постоянно объявляют о своих намерениях использования АПМ. Многие начинают изучать возможности АПМ с привлечения к своим проектам центров аддитивных технологий контрактных производителей (ЦАТ), обладающих опытом 3D-печати и постобработки. При удачном опыте взаимодействия с ними заказчик начинает рассматривать приобретение систем для самостоятельного АПМ на собственных предприятиях. 

Сегодня, когда использование АПМ успешно закрывает многие вопросы по качеству производимых изделий и производственной гибкости, OEM-производители отмечают значительное ускорение разработок ответственной продукции. Raytheon Technologies, материнская компания Pratt & Whitney (P&W), летом 2022 года приобрела производственный комплекс Velo3D Sapphire, включающий в себя программное обеспечение для подготовки к 3D-печати, программное обеспечение для мониторинга и контроля качества 3D-печати, а также сам 3D-принтер. Компания P&W очень внимательно изучает АПМ для производства серийных компонентов реактивных двигателей для своих программ GTF™ и перспективных двигателей. P&W - опытные пользователи АПМ, однако, пока большую часть работ по печати и постобработке они передают на контрактный аутсорсинг. Продолжая пользоваться услугами подрядчиков, они планируют установить себе передовой 3D-принтер в Исследовательском центре Raytheon Technologies (Raytheon Technologies Research Center). Raytheon является участником известной инициативы президента Байдена AM Forward. 

Компания Lockheed Martin также недавно добавила передовую систему LB-PBF в свой Центр аддитивного проектирования и производства (Additive Design & Manufacturing Center), который занимается экспериментальным использованием новых технологий АП в космическом подразделении компании. 

Начинающие предприниматели выбирают АП

Сегодня в инновационном мире аэрокосмической промышленности размер компании имеет меньшее значение, чем в прошлом, когда не существовало цифрового аддитивного производства. Небольшие предприятия, такие как:

• Aerojet Rocketdyne - поставщик NASA,
• Launcher - компания, занимающаяся запуском спутников, 
• Юэн Крейг, школьник, чей аэрокосмический двигатель скоро пройдет огневые испытания, 

- все они ускорили развитие бизнеса в 2021 году благодаря возможностям 3D-печати. 

Компания Aerojet Rocketdyne поставляет NASA 3D-печатные компоненты конечного использования для различных проектов, среди которых массивные двигатели RS-25, которые доставят миссию Artemis на Луну (с целью вывода первого беспилотного лунного модуля Orion на орбиту), а затем на Марс. 

Сегодня бюджет NASA вдвое меньше, чем в 1960-х годах. Их последние успехи в немалой степени обусловлены достижениями в области 3D-печати. Вот что говорит Джеймс Хортон (James Horton), аэрокосмический инженер и архитектор миссий компании Aerojet Rocketdyne: "Как и в любом сложном проекте, чем дешевле его реализация, тем больше шансов, что вы успешно завершите его. 3D-печать металлами играет ключевую роль в этом". 

Используя АПМ компания Aerojet Rocketdyne смогла снизить стоимость силовых установок, ускорить время выхода на рынок и улучшить характеристики своей продукции. Совсем недавно компания использовала передовую технологию LB-PBF для преодоления ограничений более ранней конструкции форсунок для двигателей RS-25, которые будут использоваться для полета в космос ракеты Artemis. 

На этот раз им удалось изготовить инжектор из более легкого титана вместо традиционно используемого инконеля, что позволило получить двигатель малой тяги, масса которого на 1/5 меньше, размер на 1/2 меньше, а стоимость на 1/3 меньше, чем у классической версии. Поскольку новейшая модель содержит гораздо меньше компонентов, ее также легче собрать, и вероятность поломки во время эксплуатации гораздо меньше. Хортон (Horton) говорит: "Мы продемонстрировали, что, используя АП и передовое программное обеспечение мы можем повысить доступность, сократить время изготовления и значительно улучшить производительность системы по сравнению со сборкой деталей в прошлом". 

Другая молодая компания Launcher с самого начала намеревалась использовать преимущества АПМ в своей программе запуска малых недорогих спутников. Системы АП, которые они использовали ранее, требовали значительной переработки конструкции и последующей допобработки. Однако их недавнее приобретение одной из новейших систем LB-PBF обеспечило уровень технологии, необходимый для реализации возможности совместного использования со SpaceX. 

Компания Launcher с легкостью переключилась с разработки собственной ракеты на завершение производства системы доставки спутников Orbiter ракетой SpaceX. Хотя собственная ракета, которая будет непосредственно запускать Orbiter, продолжает разрабатываться, расширенные возможности нового 3D-принтера "позволили нам очень легко менять приоритеты", - сказал руководитель производственного отдела компании Launcher Тим Берри (Tim Berry).

"В целом, это можно назвать преимуществом применения аддитивных технологий, которые могут создавать большую ценность от использования высокопроизводительного 3D-принтера", - сказал он. В настоящее время компания печатает крыльчатки, топливные баки, кронштейны, камеры сгорания и инжекторы.

Комната в общежитии служила отделом исследований и разработок для Юэна Крейга (Ewan Craig), 16-летнего британского школьника, который воспользовался вынужденной изоляцией по всему миру для проектирования ракеты, над которой инженеры работали еще с 1950-х годов. При поддержке поставщика программного обеспечения и производителя аддитивных систем Крейг разработал и напечатал свой собственный однокомпонентный клиновоздушный ракетный двигатель (aerospike), который в настоящее время проходит наземные и, в перспективе, будет проходить летные испытания в одном из университетов США.

Поскольку технология АПМ продолжает развиваться, самые передовые системы уже обеспечивают уровень качества, соответствующий самым высоким стандартам, предъявляемым аэрокосмической и оборонной промышленностью. Более производительные 3D-принтеры с большой областью печати только расширят потенциал инновационных применений OEM-производителями, контрактными производителями и энергичными стартапами отрасли. 

Автор и источник: Бен Уилсон (Ben Wilson), инженер Velo3D (Кэмпбелл, Калифорния), Aerospace&Defense Technology 12.2022.

Послесловие

В современном быстро меняющемся мире выигрывает тот, кто вкладывается в инновации несмотря на понесенные затраты и допуская экспоненциальный характер возврата инвестиций в определённых условиях. Конечно, позволить передовые решения могут позволить себе немногие компании, как с точки зрения адекватной окупаемости, так и обучения персонала предпринимательскому мышлению. Когда речь идет об аддитивных технологиях, способных производить комплексные изделия из металла, сложно утверждать, что на неподготовленном рынке окупаемость 3D-принтера составит то же время, которое приходится на окупаемость традиционного оборудования, например, металлообрабатывающего станка. Если при разработке стандартной продукции инженер и технолог опираются на ряд классических станков, например, токарных или фрезерных, располагающихся в цехах компании-разработчика, или прибегают к помощи контрактных производителей, то для резонансного сотрудничества с аддитивными технологиями разработчику потребуется взглянуть на мир производства несколько иначе. 

Опытный промышленник, пожалуй, не сможет представить себе классический, даже многоосевой станок, способный изготовить любой сложный компонент, задуманный инженером и приправленный занудством технолога. Вместе с этим молодой дизайнер или только что окончивший ВУЗ инженер, получившие, пусть во многом и теоретические навыки проектирования под возможности аддитивных технологий, смогут без каких-либо ограничений напечатать любую деталь. Любую деталь — это звучит для многих профессионалов невозможным и даже почти дилетантским. Однако, не стоит недооценивать современные аддитивные технологии. 

В статье "Почему авиационные, ракетно-космические компании и ОПК используют аддитивное производство?" Бен Уилсон рассказал, а где-то просто намекнул, не раскрывая нюансов, насколько 3D-печать может сильно изменить ваши подходы к проектированию и изготовлению продукции. Если же вы поддадитесь соблазну и приобретете один или несколько 3D-принтеров по металлу, но:

• не будете иметь четкой стратегии развития своего предприятия,
• не будете готовы предложить рынку новый продукт или продукты с новыми эксплуатационными свойствами, отличными от конкурентов,
• не будете использовать множественные преимущества АПМ,
• не подготовите должным образом новому мышлению в парадигме АПМ руководителей подразделений, консультантов, инженеров, металлургов, технологов, сервисников, продавцов,
• не будете готовы к тернистому пути с верой в безоговорочный успех,

то, скорей всего, вас будет ждать участь тех компаний, которые недостаточно поверили в себя, недооценили или переоценили рынок. По этой причине методично и внимательно отнеситесь к 3D-печати, ведь самый первый экспериментальный этап, не обремененный дорогостоящим оборудованием, позволит вам увидеть себя в новой нише завтра или через несколько лет.

Счастливые пользователи 3D-принтеров Sapphire компании Velo3d, наверняка, долго и не всегда уверенно шли к такому выбору. Мы считаем, что многие из них поначалу сотрудничали с экспертами и ЦАТ, нарабатывая уже свой опыт в разработке, и убеждаясь в удовлетворительном качестве изделий, повторяемости результата, экспериментируя с помощью подрядчиков с различными металлическими сплавами. Когда же был накоплен необходимый опыт, энергичная команда была сформирована и должным образом подготовлена, вот тогда-то предприятие и пришло к выбору как технологии, так и аддитивной системы. Вполне вероятно, что за 1-3 года такой подготовки могла появиться новая, более подходящая под нужды предприятия аддитивная технология, или же новый лидер.

Многократно апробированные на различных заказчиках и их потребностях Система и Матрица аддитивных технологий позволят быстро и убедительно найти и обосновать действительно ту аддитивную технологию, которая поможет предприятию выйти на совершенно новый уровень. Связь Системы и Матрицы с методическим пособием - книгой Трубашевского Д.С. “Аддитивные зарисовки” позволит предприятию расположить к себе инновации самым простым и доступным способом, не прибегая к помощи ангажированных продавцов или экспертов. Страница инструментов визуальной систематизации аддитивных технологий: ddmlab.ru/service/printed-publications.